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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 4 -18 x 2 und g(x)= -81 . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

x 4 -18 x 2 = -81 | +81
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

L={ -3 ; 3 }

-3 ist 2-fache Lösung! 3 ist 2-fache Lösung!

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

x1 = -3 : f( -3 )= -81 Somit gilt: S1( -3 |-81)

x2 = 3 : f( 3 )= -81 Somit gilt: S2( 3 |-81)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

f(x)= 1 6 e 6x - 5 3 e 3x

f'(x)= e 6x -5 e 3x

Also muss gelten:

e 6x -5 e 3x = 6 | -6
e 6x -5 e 3x -6 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -5u -6 = 0

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

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

u1,2 = +5 ± ( -5 ) 2 -4 · 1 · ( -6 ) 21

u1,2 = +5 ± 25 +24 2

u1,2 = +5 ± 49 2

u1 = 5 + 49 2 = 5 +7 2 = 12 2 = 6

u2 = 5 - 49 2 = 5 -7 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 - ( -6 ) = 25 4 + 6 = 25 4 + 24 4 = 49 4

x1,2 = 5 2 ± 49 4

x1 = 5 2 - 7 2 = - 2 2 = -1

x2 = 5 2 + 7 2 = 12 2 = 6

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 6

e 3x = 6 |ln(⋅)
3x = ln( 6 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 6 ) ≈ 0.5973

u2: e 3x = -1

e 3x = -1

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 ln( 6 ) }

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

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

-8 e 3x +16 = - e 6x

Lösung einblenden
-8 e 3x +16 = - e 6x | + e 6x
e 6x -8 e 3x +16 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -8u +16 = 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 · 16 21

u1,2 = +8 ± 64 -64 2

u1,2 = +8 ± 0 2

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

u = 8 2 = 4

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 - 16 = 16 - 16 = 0

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

x = 4 ± 0 = 4

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 4

e 3x = 4 |ln(⋅)
3x = ln( 4 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 4 ) ≈ 0.4621
x1 = 2 3 ln( 2 )

u2: e 3x = 4

e 3x = 4 |ln(⋅)
3x = ln( 4 ) |:3
x2 = 1 3 ln( 4 ) ≈ 0.4621
x2 = 2 3 ln( 2 )

L={ 2 3 ln( 2 ) }

2 3 ln( 2 ) ist 2-fache Lösung!

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3x +4 + 3x x -1 -3 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 1 ; - 4 3 }

3x x -1 + x 3x +4 -3 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x -1 weg!

3x x -1 + x 3x +4 -3 = 0 |⋅( x -1 )
3x x -1 · ( x -1 ) + x 3x +4 · ( x -1 ) -3 · ( x -1 ) = 0
3x + x ( x -1 ) 3x +4 -3x +3 = 0
3x + x 2 - x 3x +4 -3x +3 = 0
x 2 - x 3x +4 +3x -3x +3 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x +4 weg!

x 2 - x 3x +4 +3x -3x +3 = 0 |⋅( 3x +4 )
x 2 - x 3x +4 · ( 3x +4 ) + 3x · ( 3x +4 ) -3x · ( 3x +4 ) + 3 · ( 3x +4 ) = 0
x 2 - x +3 x ( 3x +4 )-3 x ( 3x +4 ) +9x +12 = 0
x 2 - x + ( 9 x 2 +12x ) + ( -9 x 2 -12x ) +9x +12 = 0
x 2 +8x +12 = 0

x 2 +8x +12 = 0

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

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

x1,2 = -8 ± 8 2 -4 · 1 · 12 21

x1,2 = -8 ± 64 -48 2

x1,2 = -8 ± 16 2

x1 = -8 + 16 2 = -8 +4 2 = -4 2 = -2

x2 = -8 - 16 2 = -8 -4 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 = 4 2 - 12 = 16 - 12 = 4

x1,2 = -4 ± 4

x1 = -4 - 2 = -6

x2 = -4 + 2 = -2

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -6 ; -2 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 -2 x 2 -29x -42 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 -2 x 2 -29x -42 = 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 -42 .

-2 ist eine Lösung, denn ( -2 ) 3 -2 ( -2 ) 2 -29( -2 ) -42 = 0.

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

( x 3 -2 x 2 -29x -42 ) : (x+2) = x 2 -4x -21
-( x 3 +2 x 2 )
-4 x 2 -29x
-( -4 x 2 -8x )
-21x -42
-( -21x -42 )
0

es gilt also:

x 3 -2 x 2 -29x -42 = ( x 2 -4x -21 ) · ( x +2 )

( x 2 -4x -21 ) ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 -4x -21 = 0

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

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

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

x1,2 = +4 ± 16 +84 2

x1,2 = +4 ± 100 2

x1 = 4 + 100 2 = 4 +10 2 = 14 2 = 7

x2 = 4 - 100 2 = 4 -10 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 = ( -2 ) 2 - ( -21 ) = 4+ 21 = 25

x1,2 = 2 ± 25

x1 = 2 - 5 = -3

x2 = 2 + 5 = 7


2. Fall:

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

Polynomdivision mit -3

Polynomdivision mit 7

L={ -3 ; -2 ; 7 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- | x +1 | -5 = -9

Lösung einblenden
- | x +1 | -5 = -9 | +5
- | x +1 | = -4 |: ( -1 )
| x +1 | = 4

1. Fall: x +1 ≥ 0:

x +1 = 4 | -1
x1 = 3

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( x +1 ≥ 0) genügt:

3 +1 = 4 ≥ 0

Die Lösung 3 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: x +1 < 0:

-( x +1 ) = 4
-x -1 = 4 | +1
-x = 5 |:(-1 )
x2 = -5

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( x +1 < 0) genügt:

-5 +1 = -4 < 0

Die Lösung -5 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -5 ; 3 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

ln(u) ist genau dann = 0, wenn e0=u, also 1 = u ist:

ln( x 2 -5x +2 t ) = 0

x 2 -5x +2 t = 1 |-1

x 2 -5x +2 t - 1 = 0

x 2 -5x + 2t -1 =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = +5 ± ( -5 ) 2 -4 · 1 · ( 2t -1 ) 21 = +5 ± 25 + ( -8t +4 ) 2

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

  • Ist 25 + ( -8t +4 ) > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 25 + ( -8t +4 ) = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 25 + ( -8t +4 ) <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 25 + ( -8t +4 ) = 0 wird.

25 -8t +4 = 0
-8t +29 = 0 | -29
-8t = -29 |:(-8 )
t = 29 8

Da rechts der Nullstelle t= 29 8 beispielsweise für t = 5 der Radikand 25 + ( -85 +4 ) = -11 < 0 wird, sind also die Funktionswerte von 25 + ( -8t +4 ) für t > 29 8 kleiner 0 und für t < 29 8 größer 0

Für t > 29 8 ist also der Term unter der Wurzel < 0 und es gibt keine Lösung.