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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= 7 e -2x +1 und g(x)= 8 e -x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

7 e -2x +1 = 8 e -x | -8 e -x
-8 e -x +7 e -2x +1 = 0

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

-8 e -x +7 e -2x +1 = 0 |⋅ e 2x
e 2x -8 e x +7 = 0

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -8u +7 = 0

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

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

u1,2 = +8 ± ( -8 ) 2 -4 · 1 · 7 21

u1,2 = +8 ± 64 -28 2

u1,2 = +8 ± 36 2

u1 = 8 + 36 2 = 8 +6 2 = 14 2 = 7

u2 = 8 - 36 2 = 8 -6 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 = ( -4 ) 2 - 7 = 16 - 7 = 9

x1,2 = 4 ± 9

x1 = 4 - 3 = 1

x2 = 4 + 3 = 7

Rücksubstitution:

u1: e x = 7

e x = 7 |ln(⋅)
x1 = ln( 7 ) ≈ 1.9459

u2: e x = 1

e x = 1 |ln(⋅)
x2 = 0 ≈ 0

L={0; ln( 7 ) }

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

x1 = 0: f(0)= 8 e -0 = 8 Somit gilt: S1(0|8)

x2 = ln( 7 ) : f( ln( 7 ) )= 8 e -( ln( 7 ) ) = 1.143 Somit gilt: S2( ln( 7 ) |1.143)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 4 e 4x + 1 2 e 2x parallel zur Geraden y = 30x -2 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 30x -2 gilt m = 30

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

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

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

Also muss gelten:

e 4x + e 2x = 30 | -30
e 4x + e 2x -30 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 + u -30 = 0

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

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

u1,2 = -1 ± 1 2 -4 · 1 · ( -30 ) 21

u1,2 = -1 ± 1 +120 2

u1,2 = -1 ± 121 2

u1 = -1 + 121 2 = -1 +11 2 = 10 2 = 5

u2 = -1 - 121 2 = -1 -11 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 ) 2 - ( -30 ) = 1 4 + 30 = 1 4 + 120 4 = 121 4

x1,2 = - 1 2 ± 121 4

x1 = - 1 2 - 11 2 = - 12 2 = -6

x2 = - 1 2 + 11 2 = 10 2 = 5

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 5

e 2x = 5 |ln(⋅)
2x = ln( 5 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 5 ) ≈ 0.8047

u2: e 2x = -6

e 2x = -6

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 5 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 30 und sind somit parallel zur Geraden y = 30x -2 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 3x +3 e 2x -18 e x = 0

Lösung einblenden
e 3x +3 e 2x -18 e x = 0
( e 2x +3 e x -18 ) e x = 0

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

1. Fall:

e 2x +3 e x -18 = 0

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

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +3u -18 = 0

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

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

u1,2 = -3 ± 3 2 -4 · 1 · ( -18 ) 21

u1,2 = -3 ± 9 +72 2

u1,2 = -3 ± 81 2

u1 = -3 + 81 2 = -3 +9 2 = 6 2 = 3

u2 = -3 - 81 2 = -3 -9 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 = ( 3 2 ) 2 - ( -18 ) = 9 4 + 18 = 9 4 + 72 4 = 81 4

x1,2 = - 3 2 ± 81 4

x1 = - 3 2 - 9 2 = - 12 2 = -6

x2 = - 3 2 + 9 2 = 6 2 = 3

Rücksubstitution:

u1: e x = 3

e x = 3 |ln(⋅)
x1 = ln( 3 ) ≈ 1.0986

u2: e x = -6

e x = -6

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 3 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2x 2x -6 + 2x +1 x -1 -7 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 3 ; 1 }

2x 2x -6 + 2x +1 x -1 -7 = 0
2x 2( x -3 ) + 2x +1 x -1 -7 = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner x -3 weg!

2x 2( x -3 ) + 2x +1 x -1 -7 = 0 |⋅( x -3 )
2x 2( x -3 ) · ( x -3 ) + 2x +1 x -1 · ( x -3 ) -7 · ( x -3 ) = 0
x + ( 2x +1 ) ( x -3 ) x -1 -7x +21 = 0
x + 2 x 2 -5x -3 x -1 -7x +21 = 0
2 x 2 -5x -3 x -1 + x -7x +21 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x -1 weg!

2 x 2 -5x -3 x -1 + x -7x +21 = 0 |⋅( x -1 )
2 x 2 -5x -3 x -1 · ( x -1 ) + x · ( x -1 ) -7x · ( x -1 ) + 21 · ( x -1 ) = 0
2 x 2 -5x -3 + x ( x -1 )-7 x ( x -1 ) +21x -21 = 0
2 x 2 -5x -3 + ( x 2 - x ) + ( -7 x 2 +7x ) +21x -21 = 0
-4 x 2 +22x -24 = 0
-4 x 2 +22x -24 = 0 |:2

-2 x 2 +11x -12 = 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 · ( -2 ) · ( -12 ) 2( -2 )

x1,2 = -11 ± 121 -96 -4

x1,2 = -11 ± 25 -4

x1 = -11 + 25 -4 = -11 +5 -4 = -6 -4 = 1,5

x2 = -11 - 25 -4 = -11 -5 -4 = -16 -4 = 4

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 "-2 " teilen:

-2 x 2 +11x -12 = 0 |: -2

x 2 - 11 2 x +6 = 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 4 ) 2 - 6 = 121 16 - 6 = 121 16 - 96 16 = 25 16

x1,2 = 11 4 ± 25 16

x1 = 11 4 - 5 4 = 6 4 = 1.5

x2 = 11 4 + 5 4 = 16 4 = 4

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 1,5 ; 4 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2 x 3 +19 x 2 +48x +36 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 2 x 3 +19 x 2 +48x +36 = 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 36 .

-2 ist eine Lösung, denn 2 ( -2 ) 3 +19 ( -2 ) 2 +48( -2 ) +36 = 0.

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

( 2 x 3 +19 x 2 +48x +36 ) : (x+2) = 2 x 2 +15x +18
-( 2 x 3 +4 x 2 )
15 x 2 +48x
-( 15 x 2 +30x )
18x +36
-( 18x +36 )
0

es gilt also:

2 x 3 +19 x 2 +48x +36 = ( 2 x 2 +15x +18 ) · ( x +2 )

( 2 x 2 +15x +18 ) ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

2 x 2 +15x +18 = 0

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

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

x1,2 = -15 ± 15 2 -4 · 2 · 18 22

x1,2 = -15 ± 225 -144 4

x1,2 = -15 ± 81 4

x1 = -15 + 81 4 = -15 +9 4 = -6 4 = -1,5

x2 = -15 - 81 4 = -15 -9 4 = -24 4 = -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 "2 " teilen:

2 x 2 +15x +18 = 0 |: 2

x 2 + 15 2 x +9 = 0

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

D = ( 15 4 ) 2 - 9 = 225 16 - 9 = 225 16 - 144 16 = 81 16

x1,2 = - 15 4 ± 81 16

x1 = - 15 4 - 9 4 = - 24 4 = -6

x2 = - 15 4 + 9 4 = - 6 4 = -1.5


2. Fall:

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

Polynomdivision mit -6

L={ -6 ; -2 ; -1,5 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- | 2x -6 | -8 = -10

Lösung einblenden
- | 2x -6 | -8 = -10 | +8
- | 2x -6 | = -2 |: ( -1 )
| 2x -6 | = 2

1. Fall: 2x -6 ≥ 0:

2x -6 = 2 | +6
2x = 8 |:2
x1 = 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.

2. Fall: 2x -6 < 0:

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

L={ 2 ; 4 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

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

t 2 +16t = 0
t ( t +16 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

t +16 = 0 | -16
t2 = -16

Da bei t 2 +16 t eine positive Zahl vor dem t² steht, ist der Graph von t 2 +16 t eine nach oben geöffnete Parabel, bei der die Funktionswerte zwischen den Nullstellen negativ und jeweils links und rechts der Nullstellen positiv sind.

Für t < -16 oder für t > 0 ist also der Term unter der Wurzel positiv und es gibt zwei Lösungen.