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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 4x -7 e -2x und g(x)= 6 e x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

Um die Schnittpunkte zu berechnen, müssen wir einfach die beiden Funktionsterme gleichsetzen:

e 4x -7 e -2x = 6 e x | -6 e x
e 4x -6 e x -7 e -2x = 0
( e 6x -6 e 3x -7 ) e -2x = 0

Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.

1. Fall:

e 6x -6 e 3x -7 = 0

Diese Gleichung kann durch Substitution auf eine quadratische Gleichung zurückgeführt werden!

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -6u -7 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

u1,2 = +6 ± ( -6 ) 2 -4 · 1 · ( -7 ) 21

u1,2 = +6 ± 36 +28 2

u1,2 = +6 ± 64 2

u1 = 6 + 64 2 = 6 +8 2 = 14 2 = 7

u2 = 6 - 64 2 = 6 -8 2 = -2 2 = -1

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = ( -3 ) 2 - ( -7 ) = 9+ 7 = 16

x1,2 = 3 ± 16

x1 = 3 - 4 = -1

x2 = 3 + 4 = 7

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 7

e 3x = 7 |ln(⋅)
3x = ln( 7 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 7 ) ≈ 0.6486

u2: e 3x = -1

e 3x = -1

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e -2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 ln( 7 ) }

Damit haben wir die Schnittstellen. Jetzt müssen wir die x-Werte nur noch in einen der beiden Funktionsterme einsetzen:

x1 = 1 3 ln( 7 ) : f( 1 3 ln( 7 ) )= 6 e 1 3 ln( 7 ) = 11.478 Somit gilt: S1( 1 3 ln( 7 ) |11.478)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 4 e 4x +2 e 2x parallel zur Geraden y = 12x -6 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 12x -6 gilt m = 12

Die Steigungen der Tangenten an f können wir mit der Ableitungsfunktion f' berechnen.

f(x)= 1 4 e 4x +2 e 2x

f'(x)= e 4x +4 e 2x

Also muss gelten:

e 4x +4 e 2x = 12 | -12
e 4x +4 e 2x -12 = 0

Diese Gleichung kann durch Substitution auf eine quadratische Gleichung zurückgeführt werden!

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +4u -12 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

u1,2 = -4 ± 4 2 -4 · 1 · ( -12 ) 21

u1,2 = -4 ± 16 +48 2

u1,2 = -4 ± 64 2

u1 = -4 + 64 2 = -4 +8 2 = 4 2 = 2

u2 = -4 - 64 2 = -4 -8 2 = -12 2 = -6

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = 2 2 - ( -12 ) = 4+ 12 = 16

x1,2 = -2 ± 16

x1 = -2 - 4 = -6

x2 = -2 + 4 = 2

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 2

e 2x = 2 |ln(⋅)
2x = ln( 2 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 2 ) ≈ 0.3466

u2: e 2x = -6

e 2x = -6

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 2 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 12 und sind somit parallel zur Geraden y = 12x -6 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 4 -5 x 2 = -4

Lösung einblenden
x 4 -5 x 2 = -4 | +4
x 4 -5 x 2 +4 = 0

Diese Gleichung kann durch Substitution auf eine quadratische Gleichung zurückgeführt werden!

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -5u +4 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

u1,2 = +5 ± ( -5 ) 2 -4 · 1 · 4 21

u1,2 = +5 ± 25 -16 2

u1,2 = +5 ± 9 2

u1 = 5 + 9 2 = 5 +3 2 = 8 2 = 4

u2 = 5 - 9 2 = 5 -3 2 = 2 2 = 1

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = ( - 5 2 ) 2 - 4 = 25 4 - 4 = 25 4 - 16 4 = 9 4

x1,2 = 5 2 ± 9 4

x1 = 5 2 - 3 2 = 2 2 = 1

x2 = 5 2 + 3 2 = 8 2 = 4

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 4

x 2 = 4 | 2
x1 = - 4 = -2
x2 = 4 = 2

u2: x 2 = 1

x 2 = 1 | 2
x3 = - 1 = -1
x4 = 1 = 1

L={ -2 ; -1 ; 1 ; 2 }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

4x 2x -3 + 4x 3x -6 -8 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 2 ; 3 2 }

4x 3x -6 + 4x 2x -3 -8 = 0
4x 3( x -2 ) + 4x 2x -3 -8 = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner 3( x -2 ) weg!

4x 3( x -2 ) + 4x 2x -3 -8 = 0 |⋅( 3( x -2 ) )
4x 3( x -2 ) · ( 3( x -2 ) ) + 4x 2x -3 · ( 3( x -2 ) ) -8 · ( 3( x -2 ) ) = 0
4x +3 4 x ( x -2 ) 2x -3 -24x +48 = 0
4x + 3( 4 x 2 -8x ) 2x -3 -24x +48 = 0
3( 4 x 2 -8x ) 2x -3 +4x -24x +48 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 2x -3 weg!

3( 4 x 2 -8x ) 2x -3 +4x -24x +48 = 0 |⋅( 2x -3 )
3( 4 x 2 -8x ) 2x -3 · ( 2x -3 ) + 4x · ( 2x -3 ) -24x · ( 2x -3 ) + 48 · ( 2x -3 ) = 0
12 x 2 -24x +4 x ( 2x -3 )-24 x ( 2x -3 ) +96x -144 = 0
12 x 2 -24x + ( 8 x 2 -12x ) + ( -48 x 2 +72x ) +96x -144 = 0
-28 x 2 +132x -144 = 0
-28 x 2 +132x -144 = 0 |:4

-7 x 2 +33x -36 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

x1,2 = -33 ± 33 2 -4 · ( -7 ) · ( -36 ) 2( -7 )

x1,2 = -33 ± 1089 -1008 -14

x1,2 = -33 ± 81 -14

x1 = -33 + 81 -14 = -33 +9 -14 = -24 -14 = 12 7 ≈ 1.71

x2 = -33 - 81 -14 = -33 -9 -14 = -42 -14 = 3

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

Um die Gleichung auf die Form "x² + px + q = 0" zu bekommen, müssen wir zuerst die ganze Gleichung durch "-7 " teilen:

-7 x 2 +33x -36 = 0 |: -7

x 2 - 33 7 x + 36 7 = 0

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = ( - 33 14 ) 2 - ( 36 7 ) = 1089 196 - 36 7 = 1089 196 - 1008 196 = 81 196

x1,2 = 33 14 ± 81 196

x1 = 33 14 - 9 14 = 24 14 = 1.7142857142857

x2 = 33 14 + 9 14 = 42 14 = 3

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 12 7 ; 3 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3 x 3 +11 x 2 + x -15 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 3 x 3 +11 x 2 + x -15 = 0 zu bestimmen, ist mit Polynomdivision.
Das funktioniert aber nur, wenn wir eine ganzzahlige Lösung durch Ausprobieren finden.
Dazu testen wir alle Teiler (mit beiden Vorzeichen) des Absolutglieds -15 .

1 ist eine Lösung, denn 3 1 3 +11 1 2 +1 -15 = 0.

Wir führen also eine Polynomdivison mit dem Divisor (x-1) durch.

( 3 x 3 +11 x 2 + x -15 ) : (x-1) = 3 x 2 +14x +15
-( 3 x 3 -3 x 2 )
14 x 2 + x
-( 14 x 2 -14x )
15x -15
-( 15x -15 )
0

es gilt also:

3 x 3 +11 x 2 + x -15 = ( 3 x 2 +14x +15 ) · ( x -1 )

( 3 x 2 +14x +15 ) ( x -1 ) = 0

Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.

1. Fall:

3 x 2 +14x +15 = 0

Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

eingesetzt in x1,2 = - b ± b 2 -4a · c 2a ergibt:

x1,2 = -14 ± 14 2 -4 · 3 · 15 23

x1,2 = -14 ± 196 -180 6

x1,2 = -14 ± 16 6

x1 = -14 + 16 6 = -14 +4 6 = -10 6 = - 5 3 ≈ -1.67

x2 = -14 - 16 6 = -14 -4 6 = -18 6 = -3

Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

Um die Gleichung auf die Form "x² + px + q = 0" zu bekommen, müssen wir zuerst die ganze Gleichung durch "3 " teilen:

3 x 2 +14x +15 = 0 |: 3

x 2 + 14 3 x +5 = 0

vor dem Einsetzen in x1,2 = - p 2 ± ( p 2 ) 2 - q
berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ( p 2 ) 2 - q :

D = ( 7 3 ) 2 - 5 = 49 9 - 5 = 49 9 - 45 9 = 4 9

x1,2 = - 7 3 ± 4 9

x1 = - 7 3 - 2 3 = - 9 3 = -3

x2 = - 7 3 + 2 3 = - 5 3 = -1.6666666666667


2. Fall:

x -1 = 0 | +1
x3 = 1

Polynomdivision mit -3

L={ -3 ; - 5 3 ; 1 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

| -2x +6 | +7 = 9

Lösung einblenden
| -2x +6 | +7 = 9 | -7
| -2x +6 | = 2

1. Fall: -2x +6 ≥ 0:

-2x +6 = 2 | -6
-2x = -4 |:(-2 )
x1 = 2

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -2x +6 ≥ 0) genügt:

-22 +6 = 2 ≥ 0

Die Lösung 2 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: -2x +6 < 0:

-( -2x +6 ) = 2
2x -6 = 2 | +6
2x = 8 |:2
x2 = 4

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -2x +6 < 0) genügt:

-24 +6 = -2 < 0

Die Lösung 4 genügt also der obigen Bedingung.

L={ 2 ; 4 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= x 2 +2 t x +4 t genau 1 Nullstelle?

Lösung einblenden

x 2 +2 t x +4 t =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = -2 t ± ( 2 t ) 2 -4 · 1 · 4 t 21 = -2 t ± 4 t 2 -16 t 2

Wie viele Nullstellen jetzt hier wirklich rauskommen, hängt vom Radikand, also vom Term unter der Wurzel ab:

  • Ist 4 t 2 -16 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 4 t 2 -16 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 4 t 2 -16 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 4 t 2 -16 t = 0 wird.

4 t 2 -16t = 0
4 t ( t -4 ) = 0

Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

t -4 = 0 | +4
t2 = 4

Für t = 0 oder für t = 4 ist also die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung.