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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 6 -8 x 2 und g(x)= 2 x 4 . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

x 6 -8 x 2 = 2 x 4 | -2 x 4
x 6 -2 x 4 -8 x 2 = 0
x 2 ( x 4 -2 x 2 -8 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 = 0 | 2
x1 = 0

2. Fall:

x 4 -2 x 2 -8 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -2u -8 = 0

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

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

u1,2 = +2 ± ( -2 ) 2 -4 · 1 · ( -8 ) 21

u1,2 = +2 ± 4 +32 2

u1,2 = +2 ± 36 2

u1 = 2 + 36 2 = 2 +6 2 = 8 2 = 4

u2 = 2 - 36 2 = 2 -6 2 = -4 2 = -2

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 = ( -1 ) 2 - ( -8 ) = 1+ 8 = 9

x1,2 = 1 ± 9

x1 = 1 - 3 = -2

x2 = 1 + 3 = 4

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 4

x 2 = 4 | 2
x2 = - 4 = -2
x3 = 4 = 2

u2: x 2 = -2

x 2 = -2 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -2 ; 0; 2 }

0 ist 2-fache Lösung!

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

x1 = -2 : f( -2 )= 2 ( -2 ) 4 = 32 Somit gilt: S1( -2 |32)

x2 = 0: f(0)= 2 0 4 = 0 Somit gilt: S2(0|0)

x3 = 2 : f( 2 )= 2 2 4 = 32 Somit gilt: S3( 2 |32)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 3 x 3 + 5 2 x 2 parallel zur Geraden y = 6x -5 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 6x -5 gilt m = 6

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

f(x)= 1 3 x 3 + 5 2 x 2

f'(x)= x 2 +5x

Also muss gelten:

x 2 +5x = 6 | -6

x 2 +5x -6 = 0

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

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

x1,2 = -5 ± 5 2 -4 · 1 · ( -6 ) 21

x1,2 = -5 ± 25 +24 2

x1,2 = -5 ± 49 2

x1 = -5 + 49 2 = -5 +7 2 = 2 2 = 1

x2 = -5 - 49 2 = -5 -7 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 = ( 5 2 ) 2 - ( -6 ) = 25 4 + 6 = 25 4 + 24 4 = 49 4

x1,2 = - 5 2 ± 49 4

x1 = - 5 2 - 7 2 = - 12 2 = -6

x2 = - 5 2 + 7 2 = 2 2 = 1

L={ -6 ; 1 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 6 und sind somit parallel zur Geraden y = 6x -5 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 4x +2 e 3x -24 e 2x = 0

Lösung einblenden
e 4x +2 e 3x -24 e 2x = 0
( e 2x +2 e x -24 ) e 2x = 0

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

1. Fall:

e 2x +2 e x -24 = 0

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

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +2u -24 = 0

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

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

u1,2 = -2 ± 2 2 -4 · 1 · ( -24 ) 21

u1,2 = -2 ± 4 +96 2

u1,2 = -2 ± 100 2

u1 = -2 + 100 2 = -2 +10 2 = 8 2 = 4

u2 = -2 - 100 2 = -2 -10 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 = 1 2 - ( -24 ) = 1+ 24 = 25

x1,2 = -1 ± 25

x1 = -1 - 5 = -6

x2 = -1 + 5 = 4

Rücksubstitution:

u1: e x = 4

e x = 4 |ln(⋅)
x1 = ln( 4 ) ≈ 1.3863
x1 = 2 ln( 2 )

u2: e x = -6

e x = -6

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 2 ln( 2 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

8x -1 3x + 16x x -3 -7 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 3 ; 0}

16x x -3 + 8x -1 3x -7 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x -3 weg!

16x x -3 + 8x -1 3x -7 = 0 |⋅( x -3 )
16x x -3 · ( x -3 ) + 8x -1 3x · ( x -3 ) -7 · ( x -3 ) = 0
16x + ( 8x -1 ) ( x -3 ) 3x -7x +21 = 0
16x + 8 x 2 -25x +3 3x -7x +21 = 0
8 x 2 -25x +3 3x +16x -7x +21 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x weg!

8 x 2 -25x +3 3x +16x -7x +21 = 0 |⋅( 3x )
8 x 2 -25x +3 3x · 3x + 16x · 3x -7x · 3x + 21 · 3x = 0
8 x 2 -25x +3 +48 x · x -21 x · x +63x = 0
8 x 2 -25x +3 +48 x 2 -21 x 2 +63x = 0
35 x 2 +38x +3 = 0

35 x 2 +38x +3 = 0

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

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

x1,2 = -38 ± 38 2 -4 · 35 · 3 235

x1,2 = -38 ± 1444 -420 70

x1,2 = -38 ± 1024 70

x1 = -38 + 1024 70 = -38 +32 70 = -6 70 = - 3 35 ≈ -0.09

x2 = -38 - 1024 70 = -38 -32 70 = -70 70 = -1

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 "35 " teilen:

35 x 2 +38x +3 = 0 |: 35

x 2 + 38 35 x + 3 35 = 0

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

D = ( 19 35 ) 2 - ( 3 35 ) = 361 1225 - 3 35 = 361 1225 - 105 1225 = 256 1225

x1,2 = - 19 35 ± 256 1225

x1 = - 19 35 - 16 35 = - 35 35 = -1

x2 = - 19 35 + 16 35 = - 3 35 = -0.085714285714286

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -1 ; - 3 35 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3 x 3 +17 x 2 +29x +15 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 3 x 3 +17 x 2 +29x +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 +17 ( -1 ) 2 +29( -1 ) +15 = 0.

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

( 3 x 3 +17 x 2 +29x +15 ) : (x+1) = 3 x 2 +14x +15
-( 3 x 3 +3 x 2 )
14 x 2 +29x
-( 14 x 2 +14x )
15x +15
-( 15x +15 )
0

es gilt also:

3 x 3 +17 x 2 +29x +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:

1 2 | -2x -8 | +5 = 15

Lösung einblenden
1 2 | -2x -8 | +5 = 15 | -5
1 2 | -2x -8 | = 10 |⋅2
| -2x -8 | = 20

1. Fall: -2x -8 ≥ 0:

-2x -8 = 20 | +8
-2x = 28 |:(-2 )
x1 = -14

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -2x -8 ≥ 0) genügt:

-2( -14 ) -8 = 20 ≥ 0

Die Lösung -14 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: -2x -8 < 0:

-( -2x -8 ) = 20
2x +8 = 20 | -8
2x = 12 |:2
x2 = 6

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( -2x -8 < 0) genügt:

-26 -8 = -20 < 0

Die Lösung 6 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -14 ; 6 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ( x 2 -3 t x + t ) · e 1 2 x genau 1 Nullstelle?

Lösung einblenden

Nach dem Satz vom Nullprodukt wird ( x 2 -3 t x + t ) · e 1 2 x genau dann = 0, wenn x 2 -3 t x + t = 0 oder e 1 2 x = 0 gilt:

Da ja aber e 1 2 x für alle t und alle x immer größer als 0 ist, genügt es die Nullstellen von x 2 -3 t x + t zu untersuchen:

x 2 -3 t x + t =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = +3 t ± ( -3 t ) 2 -4 · 1 · t 21 = +3 t ± 9 t 2 -4 t 2

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

  • Ist 9 t 2 -4 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 9 t 2 -4 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 9 t 2 -4 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 9 t 2 -4 t = 0 wird.

9 t 2 -4t = 0
t ( 9t -4 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

9t -4 = 0 | +4
9t = 4 |:9
t2 = 4 9

Für t = 0 oder für t = 4 9 ist also die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung.