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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 2x +3 und g(x)= 10 e -2x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e 2x +3 = 10 e -2x | -10 e -2x
e 2x -10 e -2x +3 = 0

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

e 2x -10 e -2x +3 = 0 |⋅ e 2x
e 4x +3 e 2x -10 = 0

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +3u -10 = 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 · ( -10 ) 21

u1,2 = -3 ± 9 +40 2

u1,2 = -3 ± 49 2

u1 = -3 + 49 2 = -3 +7 2 = 4 2 = 2

u2 = -3 - 49 2 = -3 -7 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 = ( 3 2 ) 2 - ( -10 ) = 9 4 + 10 = 9 4 + 40 4 = 49 4

x1,2 = - 3 2 ± 49 4

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

x2 = - 3 2 + 7 2 = 4 2 = 2

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 2

e 2x = 2 |ln(⋅)
2x = ln( 2 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 2 ) ≈ 0.3466

u2: e 2x = -5

e 2x = -5

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 2 ) }

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

x1 = 1 2 ln( 2 ) : f( 1 2 ln( 2 ) )= 10 e -2( 1 2 ln( 2 ) ) = 5 Somit gilt: S1( 1 2 ln( 2 ) |5)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 5 x 5 - 7 3 x 3 parallel zur Geraden y = 18x -1 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 18x -1 gilt m = 18

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

f(x)= 1 5 x 5 - 7 3 x 3

f'(x)= x 4 -7 x 2

Also muss gelten:

x 4 -7 x 2 = 18 | -18
x 4 -7 x 2 -18 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -7u -18 = 0

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

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

u1,2 = +7 ± ( -7 ) 2 -4 · 1 · ( -18 ) 21

u1,2 = +7 ± 49 +72 2

u1,2 = +7 ± 121 2

u1 = 7 + 121 2 = 7 +11 2 = 18 2 = 9

u2 = 7 - 121 2 = 7 -11 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 = ( - 7 2 ) 2 - ( -18 ) = 49 4 + 18 = 49 4 + 72 4 = 121 4

x1,2 = 7 2 ± 121 4

x1 = 7 2 - 11 2 = - 4 2 = -2

x2 = 7 2 + 11 2 = 18 2 = 9

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 9

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

u2: x 2 = -2

x 2 = -2 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -3 ; 3 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 18 und sind somit parallel zur Geraden y = 18x -1 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 2x +2 e x -8 = 0

Lösung einblenden
e 2x +2 e x -8 = 0

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

Setze u = e x

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 = 4 2 = 2

u2 = -2 - 36 2 = -2 -6 2 = -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 = 1 2 - ( -8 ) = 1+ 8 = 9

x1,2 = -1 ± 9

x1 = -1 - 3 = -4

x2 = -1 + 3 = 2

Rücksubstitution:

u1: e x = 2

e x = 2 |ln(⋅)
x1 = ln( 2 ) ≈ 0.6931

u2: e x = -4

e x = -4

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 2 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

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

Lösung einblenden

D=R\{0; 1 2 }

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

Wir multiplizieren den Nenner 2x weg!

5x +2 2x + 5x -1 2x -1 - 11x +2 2x = 0 |⋅( 2x )
5x +2 2x · 2x + 5x -1 2x -1 · 2x - 11x +2 2x · 2x = 0
5x +2 +2 ( 5x -1 ) x 2x -1 -11x -2 = 0
5x +2 + 2( 5 x 2 - x ) 2x -1 -11x -2 = 0
2( 5 x 2 - x ) 2x -1 +5x -11x +2 -2 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 2x -1 weg!

2( 5 x 2 - x ) 2x -1 +5x -11x +2 -2 = 0 |⋅( 2x -1 )
2( 5 x 2 - x ) 2x -1 · ( 2x -1 ) + 5x · ( 2x -1 ) -11x · ( 2x -1 ) + 2 · ( 2x -1 ) -2 · ( 2x -1 ) = 0
10 x 2 -2x +5 x ( 2x -1 )-11 x ( 2x -1 ) +4x -2 -4x +2 = 0
10 x 2 -2x + ( 10 x 2 -5x ) + ( -22 x 2 +11x ) +4x -2 -4x +2 = 0
-2 x 2 +4x = 0
-2 x 2 +4x = 0
2 x ( -x +2 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

-x +2 = 0 | -2
-x = -2 |:(-1 )
x2 = 2

Lösung x=0 ist nicht in der Definitionsmenge!

L={ 2 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 4 +9 x 3 +16 x 2 -36x -80 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 4 +9 x 3 +16 x 2 -36x -80 = 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 -80 .

-2 ist eine Lösung, denn ( -2 ) 4 +9 ( -2 ) 3 +16 ( -2 ) 2 -36( -2 ) -80 = 0.

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

( x 4 +9 x 3 +16 x 2 -36x -80 ) : (x+2) = x 3 +7 x 2 +2x -40
-( x 4 +2 x 3 )
7 x 3 +16 x 2
-( 7 x 3 +14 x 2 )
2 x 2 -36x
-( 2 x 2 +4x )
-40x -80
-( -40x -80 )
0

es gilt also:

x 4 +9 x 3 +16 x 2 -36x -80 = ( x 3 +7 x 2 +2x -40 ) · ( x +2 )

( x 3 +7 x 2 +2x -40 ) ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 +7 x 2 +2x -40 = 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 -40 .

2 ist eine Lösung, denn 2 3 +7 2 2 +22 -40 = 0.

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

( x 3 +7 x 2 +2x -40 ) : (x-2) = x 2 +9x +20
-( x 3 -2 x 2 )
9 x 2 +2x
-( 9 x 2 -18x )
20x -40
-( 20x -40 )
0

es gilt also:

x 3 +7 x 2 +2x -40 = ( x 2 +9x +20 ) · ( x -2 )

( x 2 +9x +20 ) ( x -2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 +9x +20 = 0

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

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

x1,2 = -9 ± 9 2 -4 · 1 · 20 21

x1,2 = -9 ± 81 -80 2

x1,2 = -9 ± 1 2

x1 = -9 + 1 2 = -9 +1 2 = -8 2 = -4

x2 = -9 - 1 2 = -9 -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 = ( 9 2 ) 2 - 20 = 81 4 - 20 = 81 4 - 80 4 = 1 4

x1,2 = - 9 2 ± 1 4

x1 = - 9 2 - 1 2 = - 10 2 = -5

x2 = - 9 2 + 1 2 = - 8 2 = -4


2. Fall:

x -2 = 0 | +2
x3 = 2

Polynomdivision mit -4

Polynomdivision mit -5


2. Fall:

x +2 = 0 | -2
x4 = -2

L={ -5 ; -4 ; -2 ; 2 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 3 | x -1 | -5 = -4

Lösung einblenden
- 1 3 | x -1 | -5 = -4 | +5
- 1 3 | x -1 | = 1 |⋅ ( -3 )
| x -1 | = -3

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 - t x -2 t ) · e 1 2 t x genau 2 Nullstellen?

Lösung einblenden

Nach dem Satz vom Nullprodukt wird ( x 2 - t x -2 t ) · e 1 2 t x genau dann = 0, wenn x 2 - t x -2 t = 0 oder e 1 2 t x = 0 gilt:

Da ja aber e 1 2 t x für alle t und alle x immer größer als 0 ist, genügt es die Nullstellen von x 2 - t x -2 t zu untersuchen:

x 2 - t x -2 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 · ( -2 t ) 21 = +1 t ± t 2 +8 t 2

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

  • Ist t 2 +8 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist t 2 +8 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist t 2 +8 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand t 2 +8 t = 0 wird.

t 2 +8t = 0
t ( t +8 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

t +8 = 0 | -8
t2 = -8

Da bei t 2 +8 t eine positive Zahl vor dem t² steht, ist der Graph von t 2 +8 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 < -8 oder für t > 0 ist also der Term unter der Wurzel positiv und es gibt zwei Lösungen.