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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 3 + 81 x und g(x)= 18x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

D=R\{0}

Wir multiplizieren den Nenner x weg!

x 3 + 81 x = 18x |⋅( x )
x 3 · x + 81 x · x = 18x · x
x 3 · x +81 = 18 x · x
x 4 +81 = 18 x · x
x 4 +81 = 18 x 2
x 4 +81 = 18 x 2 | -18 x 2
x 4 -18 x 2 +81 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -18u +81 = 0

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

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

u1,2 = +18 ± ( -18 ) 2 -4 · 1 · 81 21

u1,2 = +18 ± 324 -324 2

u1,2 = +18 ± 0 2

Da die Wurzel Null ist, gibt es nur eine Lösung:

u = 18 2 = 9

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 = ( -9 ) 2 - 81 = 81 - 81 = 0

Da die Diskriminante D = 0 ist, hat die quadratische Gleichung nur eine Lösunng.

x = 9 ± 0 = 9

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 9

x 2 = 9 | 2
x1 = - 9 = -3
x2 = 9 = 3

u2: x 2 = 9

x 2 = 9 | 2
x3 = - 9 = -3
x4 = 9 = 3

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -3 ; 3 }

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

x1 = -3 : f( -3 )= 18( -3 ) = -54 Somit gilt: S1( -3 |-54)

x2 = 3 : f( 3 )= 183 = 54 Somit gilt: S2( 3 |54)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 4 e 4x +3 e 2x parallel zur Geraden y = 7x -7 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 7x -7 gilt m = 7

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

f(x)= 1 4 e 4x +3 e 2x

f'(x)= e 4x +6 e 2x

Also muss gelten:

e 4x +6 e 2x = 7 | -7
e 4x +6 e 2x -7 = 0

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

Setze u = e 2x

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 = 2 2 = 1

u2 = -6 - 64 2 = -6 -8 2 = -14 2 = -7

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 = -7

x2 = -3 + 4 = 1

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 1

e 2x = 1 |ln(⋅)
2x = 0 |:2
x1 = 0 ≈ 0

u2: e 2x = -7

e 2x = -7

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={0}

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 7 und sind somit parallel zur Geraden y = 7x -7 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 8x -5 e 2x = -4 e 5x

Lösung einblenden
e 8x -5 e 2x = -4 e 5x | +4 e 5x
e 8x +4 e 5x -5 e 2x = 0
( e 6x +4 e 3x -5 ) e 2x = 0

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

1. Fall:

e 6x +4 e 3x -5 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +4u -5 = 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 · ( -5 ) 21

u1,2 = -4 ± 16 +20 2

u1,2 = -4 ± 36 2

u1 = -4 + 36 2 = -4 +6 2 = 2 2 = 1

u2 = -4 - 36 2 = -4 -6 2 = -10 2 = -5

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 - ( -5 ) = 4+ 5 = 9

x1,2 = -2 ± 9

x1 = -2 - 3 = -5

x2 = -2 + 3 = 1

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 1

e 3x = 1 |ln(⋅)
3x = 0 |:3
x1 = 0 ≈ 0

u2: e 3x = -5

e 3x = -5

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={0}

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

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

Lösung einblenden

D=R\{ - 4 3 ; 0}

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

Wir multiplizieren den Nenner 3x +4 weg!

x 3x +4 -2 - 2 x = 0 |⋅( 3x +4 )
x 3x +4 · ( 3x +4 ) -2 · ( 3x +4 ) - 2 x · ( 3x +4 ) = 0
x -6x -8 -2 3x +4 x = 0
x -6x -8 - 2( 3x +4 ) x = 0
- 2( 3x +4 ) x + x -6x -8 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x weg!

- 2( 3x +4 ) x + x -6x -8 = 0 |⋅( x )
- 2( 3x +4 ) x · x + x · x -6x · x -8 · x = 0
-6x -8 + x · x -6 x · x -8x = 0
-6x -8 + x 2 -6 x 2 -8x = 0
-5 x 2 -14x -8 = 0

-5 x 2 -14x -8 = 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 · ( -5 ) · ( -8 ) 2( -5 )

x1,2 = +14 ± 196 -160 -10

x1,2 = +14 ± 36 -10

x1 = 14 + 36 -10 = 14 +6 -10 = 20 -10 = -2

x2 = 14 - 36 -10 = 14 -6 -10 = 8 -10 = -0,8

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 "-5 " teilen:

-5 x 2 -14x -8 = 0 |: -5

x 2 + 14 5 x + 8 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 5 ) 2 - ( 8 5 ) = 49 25 - 8 5 = 49 25 - 40 25 = 9 25

x1,2 = - 7 5 ± 9 25

x1 = - 7 5 - 3 5 = - 10 5 = -2

x2 = - 7 5 + 3 5 = - 4 5 = -0.8

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -2 ; -0,8 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 + x 2 -74x -144 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 + x 2 -74x -144 = 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 -144 .

-2 ist eine Lösung, denn ( -2 ) 3 + ( -2 ) 2 -74( -2 ) -144 = 0.

Wir führen also eine Polynomdivison mit dem Divisor (x+2) durch.

( x 3 + x 2 -74x -144 ) : (x+2) = x 2 - x -72
-( x 3 +2 x 2 )
- x 2 -74x
-( - x 2 -2x )
-72x -144
-( -72x -144 )
0

es gilt also:

x 3 + x 2 -74x -144 = ( x 2 - x -72 ) · ( x +2 )

( x 2 - x -72 ) ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 - x -72 = 0

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

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

x1,2 = +1 ± ( -1 ) 2 -4 · 1 · ( -72 ) 21

x1,2 = +1 ± 1 +288 2

x1,2 = +1 ± 289 2

x1 = 1 + 289 2 = 1 +17 2 = 18 2 = 9

x2 = 1 - 289 2 = 1 -17 2 = -16 2 = -8

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 ) 2 - ( -72 ) = 1 4 + 72 = 1 4 + 288 4 = 289 4

x1,2 = 1 2 ± 289 4

x1 = 1 2 - 17 2 = - 16 2 = -8

x2 = 1 2 + 17 2 = 18 2 = 9


2. Fall:

x +2 = 0 | -2
x3 = -2

Polynomdivision mit -8

Polynomdivision mit 9

L={ -8 ; -2 ; 9 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

| -2x -8 | +9 = 1

Lösung einblenden
| -2x -8 | +9 = 1 | -9
| -2x -8 | = -8

Da der Betrag links immer ≥ 0 sein muss, rechts aber eine negative Zahl steht, hat diese Gleichung keine Lösung!

L={}

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= x 2 -2x -4 t genau 2 Nullstellen?

Lösung einblenden

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

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

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

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

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

4 +16t = 0
16t +4 = 0 | -4
16t = -4 |:16
t = - 1 4 = -0.25

Da rechts der Nullstelle t= - 1 4 beispielsweise für t = 1 der Radikand 4 +161 = 20 > 0 wird, sind also die Funktionswerte von 4 +16 t für t > - 1 4 größer 0 und für t < - 1 4 kleiner 0

Für t > - 1 4 ist also der Term unter der Wurzel positiv und es gibt zwei Lösungen.