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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 3 -2x und g(x)= - 1 x . 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 -2x = - 1 x |⋅( x )
x 3 · x -2x · x = - 1 x · x
x 3 · x -2 x · x = -1
x 4 -2 x 2 = -1
x 4 -2 x 2 = -1 | +1
x 4 -2 x 2 +1 = 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 +1 = 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 · 1 21

u1,2 = +2 ± 4 -4 2

u1,2 = +2 ± 0 2

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

u = 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 = ( -1 ) 2 - 1 = 1 - 1 = 0

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

x = 1 ± 0 = 1

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 1

x 2 = 1 | 2
x1 = - 1 = -1
x2 = 1 = 1

u2: x 2 = 1

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

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -1 ; 1 }

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

x1 = -1 : f( -1 )= - 1 ( -1 ) = 1 Somit gilt: S1( -1 |1)

x2 = 1 : f( 1 )= - 1 1 = -1 Somit gilt: S2( 1 |-1)

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 = -4x -3 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = -4x -3 gilt m = -4

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 = -4 | +4

x 2 -5x +4 = 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 · 4 21

x1,2 = +5 ± 25 -16 2

x1,2 = +5 ± 9 2

x1 = 5 + 9 2 = 5 +3 2 = 8 2 = 4

x2 = 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

L={ 1 ; 4 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung -4 und sind somit parallel zur Geraden y = -4x -3 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

-2 e 3x -8 e x = - e 5x

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

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

1. Fall:

e 4x -2 e 2x -8 = 0

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

Setze u = e 2x

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: e 2x = 4

e 2x = 4 |ln(⋅)
2x = ln( 4 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 4 ) ≈ 0.6931
x1 = ln( 2 )

u2: e 2x = -2

e 2x = -2

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 2 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2x -2 x -2 + 2x -2 2x -5 + 11x +1 -6x +15 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 5 2 ; 2 }

2x -2 2x -5 + 2x -2 x -2 + 11x +1 -6x +15 = 0
2x -2 2x -5 + 2x -2 x -2 + 11x +1 3( -2x +5 ) = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner 2x -5 weg!

2x -2 2x -5 + 2x -2 x -2 + 11x +1 3( -2x +5 ) = 0 |⋅( 2x -5 )
2x -2 2x -5 · ( 2x -5 ) + 2x -2 x -2 · ( 2x -5 ) + 11x +1 3( -2x +5 ) · ( 2x -5 ) = 0
2x -2 + ( 2x -2 ) ( 2x -5 ) x -2 + ( 11x +1 ) ( 2x -5 ) 3( -2x +5 ) = 0
2x -2 + ( 2x -2 ) ( 2x -5 ) x -2 - 11 3 x - 1 3 = 0
2x -2 + 4 x 2 -14x +10 x -2 - 11 3 x - 1 3 = 0
4 x 2 -14x +10 x -2 +2x - 11 3 x -2 - 1 3 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x -2 weg!

4 x 2 -14x +10 x -2 +2x - 11 3 x -2 - 1 3 = 0 |⋅( x -2 )
4 x 2 -14x +10 x -2 · ( x -2 ) + 2x · ( x -2 ) - 11 3 x · ( x -2 ) -2 · ( x -2 ) - 1 3 · ( x -2 ) = 0
4 x 2 -14x +10 +2 x ( x -2 ) - 11 3 x ( x -2 ) -2x +4 - 1 3 x + 2 3 = 0
4 x 2 -14x +10 + ( 2 x 2 -4x ) + ( - 11 3 x 2 + 22 3 x ) -2x +4 - 1 3 x + 2 3 = 0
7 3 x 2 -13x + 44 3 = 0
7 3 x 2 -13x + 44 3 = 0 |⋅ 3
3( 7 3 x 2 -13x + 44 3 ) = 0

7 x 2 -39x +44 = 0

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

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

x1,2 = +39 ± ( -39 ) 2 -4 · 7 · 44 27

x1,2 = +39 ± 1521 -1232 14

x1,2 = +39 ± 289 14

x1 = 39 + 289 14 = 39 +17 14 = 56 14 = 4

x2 = 39 - 289 14 = 39 -17 14 = 22 14 = 11 7

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 -39x +44 = 0 |: 7

x 2 - 39 7 x + 44 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 = ( - 39 14 ) 2 - ( 44 7 ) = 1521 196 - 44 7 = 1521 196 - 1232 196 = 289 196

x1,2 = 39 14 ± 289 196

x1 = 39 14 - 17 14 = 22 14 = 1.5714285714286

x2 = 39 14 + 17 14 = 56 14 = 4

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 11 7 ; 4 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 + x 2 -34x +56 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 + x 2 -34x +56 = 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 56 .

2 ist eine Lösung, denn 2 3 + 2 2 -342 +56 = 0.

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

( x 3 + x 2 -34x +56 ) : (x-2) = x 2 +3x -28
-( x 3 -2 x 2 )
3 x 2 -34x
-( 3 x 2 -6x )
-28x +56
-( -28x +56 )
0

es gilt also:

x 3 + x 2 -34x +56 = ( x 2 +3x -28 ) · ( x -2 )

( x 2 +3x -28 ) ( x -2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 +3x -28 = 0

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

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

x1,2 = -3 ± 3 2 -4 · 1 · ( -28 ) 21

x1,2 = -3 ± 9 +112 2

x1,2 = -3 ± 121 2

x1 = -3 + 121 2 = -3 +11 2 = 8 2 = 4

x2 = -3 - 121 2 = -3 -11 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 ) 2 - ( -28 ) = 9 4 + 28 = 9 4 + 112 4 = 121 4

x1,2 = - 3 2 ± 121 4

x1 = - 3 2 - 11 2 = - 14 2 = -7

x2 = - 3 2 + 11 2 = 8 2 = 4


2. Fall:

x -2 = 0 | +2
x3 = 2

Polynomdivision mit 4

Polynomdivision mit -7

L={ -7 ; 2 ; 4 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

1 3 | -2x +8 | -3 = 9

Lösung einblenden
1 3 | -2x +8 | -3 = 9 | +3
1 3 | -2x +8 | = 12 |⋅3
| -2x +8 | = 36

1. Fall: -2x +8 ≥ 0:

-2x +8 = 36 | -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 = 36 ≥ 0

Die Lösung -14 genügt also der obigen Bedingung.

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

-( -2x +8 ) = 36
2x -8 = 36 | +8
2x = 44 |:2
x2 = 22

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

-222 +8 = -36 < 0

Die Lösung 22 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -14 ; 22 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

x 2 -2x + 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 · t 21 = +2 ± 4 -4 t 2

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

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

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

4 -4t = 0
-4t +4 = 0 | -4
-4t = -4 |:(-4 )
t = 1

Für t = 1 ist also die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung.