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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 4 +16x und g(x)= - 64 x 2 . 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 2 weg!

x 4 +16x = - 64 x 2 |⋅( x 2 )
x 4 · x 2 + 16x · x 2 = - 64 x 2 · x 2
x 4 · x 2 +16 x · x 2 = -64
x 6 +16 x 3 = -64
x 6 +16 x 3 = -64 | +64
x 6 +16 x 3 +64 = 0

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

Setze u = x 3

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +16u +64 = 0

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

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

u1,2 = -16 ± 16 2 -4 · 1 · 64 21

u1,2 = -16 ± 256 -256 2

u1,2 = -16 ± 0 2

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

u = -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 = 8 2 - 64 = 64 - 64 = 0

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

x = -8 ± 0 = -8

Rücksubstitution:

u1: x 3 = -8

x 3 = -8 | 3
x1 = - 8 3 = -2

u2: x 3 = -8

x 3 = -8 | 3
x2 = - 8 3 = -2

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -2 }

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

x1 = -2 : f( -2 )= - 64 ( -2 ) 2 = -16 Somit gilt: S1( -2 |-16)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 3 x 3 + 1 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 + 1 2 x 2

f'(x)= x 2 + x

Also muss gelten:

x 2 + x = 6 | -6

x 2 + x -6 = 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 · ( -6 ) 21

x1,2 = -1 ± 1 +24 2

x1,2 = -1 ± 25 2

x1 = -1 + 25 2 = -1 +5 2 = 4 2 = 2

x2 = -1 - 25 2 = -1 -5 2 = -6 2 = -3

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 - ( -6 ) = 1 4 + 6 = 1 4 + 24 4 = 25 4

x1,2 = - 1 2 ± 25 4

x1 = - 1 2 - 5 2 = - 6 2 = -3

x2 = - 1 2 + 5 2 = 4 2 = 2

L={ -3 ; 2 }

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:

x 2 -11x +30 = 0

Lösung einblenden

x 2 -11x +30 = 0

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

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

x1,2 = +11 ± ( -11 ) 2 -4 · 1 · 30 21

x1,2 = +11 ± 121 -120 2

x1,2 = +11 ± 1 2

x1 = 11 + 1 2 = 11 +1 2 = 12 2 = 6

x2 = 11 - 1 2 = 11 -1 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 = ( - 11 2 ) 2 - 30 = 121 4 - 30 = 121 4 - 120 4 = 1 4

x1,2 = 11 2 ± 1 4

x1 = 11 2 - 1 2 = 10 2 = 5

x2 = 11 2 + 1 2 = 12 2 = 6

L={ 5 ; 6 }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3x +1 3x +5 + -3 x -3 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ - 5 3 ; 0}

3x +1 3x +5 -3 - 3 x = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x +5 weg!

3x +1 3x +5 -3 - 3 x = 0 |⋅( 3x +5 )
3x +1 3x +5 · ( 3x +5 ) -3 · ( 3x +5 ) - 3 x · ( 3x +5 ) = 0
3x +1 -9x -15 -3 3x +5 x = 0
3x +1 -9x -15 - 3( 3x +5 ) x = 0
- 3( 3x +5 ) x +3x -9x +1 -15 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x weg!

- 3( 3x +5 ) x +3x -9x +1 -15 = 0 |⋅( x )
- 3( 3x +5 ) x · x + 3x · x -9x · x + 1 · x -15 · x = 0
-9x -15 +3 x · x -9 x · x + x -15x = 0
-9x -15 +3 x 2 -9 x 2 + x -15x = 0
-6 x 2 -23x -15 = 0

-6 x 2 -23x -15 = 0

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

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

x1,2 = +23 ± ( -23 ) 2 -4 · ( -6 ) · ( -15 ) 2( -6 )

x1,2 = +23 ± 529 -360 -12

x1,2 = +23 ± 169 -12

x1 = 23 + 169 -12 = 23 +13 -12 = 36 -12 = -3

x2 = 23 - 169 -12 = 23 -13 -12 = 10 -12 = - 5 6

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 "-6 " teilen:

-6 x 2 -23x -15 = 0 |: -6

x 2 + 23 6 x + 5 2 = 0

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

D = ( 23 12 ) 2 - ( 5 2 ) = 529 144 - 5 2 = 529 144 - 360 144 = 169 144

x1,2 = - 23 12 ± 169 144

x1 = - 23 12 - 13 12 = - 36 12 = -3

x2 = - 23 12 + 13 12 = - 10 12 = -0.83333333333333

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -3 ; - 5 6 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 +4 x 2 -31x -70 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 +4 x 2 -31x -70 = 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 -70 .

-2 ist eine Lösung, denn ( -2 ) 3 +4 ( -2 ) 2 -31( -2 ) -70 = 0.

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

( x 3 +4 x 2 -31x -70 ) : (x+2) = x 2 +2x -35
-( x 3 +2 x 2 )
2 x 2 -31x
-( 2 x 2 +4x )
-35x -70
-( -35x -70 )
0

es gilt also:

x 3 +4 x 2 -31x -70 = ( x 2 +2x -35 ) · ( x +2 )

( x 2 +2x -35 ) ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 +2x -35 = 0

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

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

x1,2 = -2 ± 2 2 -4 · 1 · ( -35 ) 21

x1,2 = -2 ± 4 +140 2

x1,2 = -2 ± 144 2

x1 = -2 + 144 2 = -2 +12 2 = 10 2 = 5

x2 = -2 - 144 2 = -2 -12 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 = 1 2 - ( -35 ) = 1+ 35 = 36

x1,2 = -1 ± 36

x1 = -1 - 6 = -7

x2 = -1 + 6 = 5


2. Fall:

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

Polynomdivision mit 5

Polynomdivision mit -7

L={ -7 ; -2 ; 5 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

| 4x -8 | +3 = 27

Lösung einblenden
| 4x -8 | +3 = 27 | -3
| 4x -8 | = 24

1. Fall: 4x -8 ≥ 0:

4x -8 = 24 | +8
4x = 32 |:4
x1 = 8

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 4x -8 ≥ 0) genügt:

48 -8 = 24 ≥ 0

Die Lösung 8 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 4x -8 < 0:

-( 4x -8 ) = 24
-4x +8 = 24 | -8
-4x = 16 |:(-4 )
x2 = -4

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 4x -8 < 0) genügt:

4( -4 ) -8 = -24 < 0

Die Lösung -4 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -4 ; 8 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ( x 2 - t x -5 t ) · e - t x genau 0 Nullstellen?

Lösung einblenden

Nach dem Satz vom Nullprodukt wird ( x 2 - t x -5 t ) · e - t x genau dann = 0, wenn x 2 - t x -5 t = 0 oder e - t x = 0 gilt:

Da ja aber e - t x für alle t und alle x immer größer als 0 ist, genügt es die Nullstellen von x 2 - t x -5 t zu untersuchen:

x 2 - t x -5 t =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = +1 t ± ( -1 t ) 2 -4 · 1 · ( -5 t ) 21 = +1 t ± t 2 +20 t 2

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

  • Ist t 2 +20 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist t 2 +20 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist t 2 +20 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand t 2 +20 t = 0 wird.

t 2 +20t = 0
t ( t +20 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

t +20 = 0 | -20
t2 = -20

Da bei t 2 +20 t eine positive Zahl vor dem t² steht, ist der Graph von t 2 +20 t eine nach oben geöffnete Parabel, bei der die Funktionswerte zwischen den Nullstellen negativ und jeweils links und rechts der Nullstellen positiv sind.

Für -20 < t < 0 , also für t > -20 und t < 0 ist also der Term unter der Wurzel < 0 und es gibt keine Lösung.