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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 7 + x und g(x)= 2 x 4 . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

x 7 + x = 2 x 4 | -2 x 4
x 7 -2 x 4 + x = 0
x · ( x 6 -2 x 3 +1 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x 6 -2 x 3 +1 = 0

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

Setze u = x 3

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 3 = 1

x 3 = 1 | 3
x2 = 1 3 = 1

u2: x 3 = 1

x 3 = 1 | 3
x3 = 1 3 = 1

L={0; 1 }

1 ist 2-fache Lösung!

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

x1 = 0: f(0)= 2 0 4 = 0 Somit gilt: S1(0|0)

x2 = 1 : f( 1 )= 2 1 4 = 2 Somit gilt: S2( 1 |2)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 7 x 7 +2 x 4 parallel zur Geraden y = 4 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 4 gilt m = 0

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

f(x)= 1 7 x 7 +2 x 4

f'(x)= x 6 +8 x 3

Also muss gelten:

x 6 +8 x 3 = 0
x 3 · ( x 3 +8 ) = 0

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

1. Fall:

x 3 = 0 | 3
x1 = 0

2. Fall:

x 3 +8 = 0 | -8
x 3 = -8 | 3
x2 = - 8 3 = -2

L={ -2 ; 0}

0 ist 3-fache Lösung!

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 0 und sind somit parallel zur Geraden y = 4 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- x 2 -72 = - x 4

Lösung einblenden
- x 2 -72 = - x 4 | + x 4
x 4 - x 2 -72 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 - u -72 = 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 · ( -72 ) 21

u1,2 = +1 ± 1 +288 2

u1,2 = +1 ± 289 2

u1 = 1 + 289 2 = 1 +17 2 = 18 2 = 9

u2 = 1 - 289 2 = 1 -17 2 = -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 = ( - 1 2 ) 2 - ( -72 ) = 1 4 + 72 = 1 4 + 288 4 = 289 4

x1,2 = 1 2 ± 289 4

x1 = 1 2 - 17 2 = - 16 2 = -8

x2 = 1 2 + 17 2 = 18 2 = 9

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 9

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

u2: x 2 = -8

x 2 = -8 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -3 ; 3 }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

12x x +3 + 8x 3x -1 -7 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 1 3 ; -3 }

8x 3x -1 + 12x x +3 -7 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x -1 weg!

8x 3x -1 + 12x x +3 -7 = 0 |⋅( 3x -1 )
8x 3x -1 · ( 3x -1 ) + 12x x +3 · ( 3x -1 ) -7 · ( 3x -1 ) = 0
8x + 12 x · ( 3x -1 ) x +3 -21x +7 = 0
8x + 36 x 2 -12x x +3 -21x +7 = 0
36 x 2 -12x x +3 +8x -21x +7 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x +3 weg!

36 x 2 -12x x +3 +8x -21x +7 = 0 |⋅( x +3 )
36 x 2 -12x x +3 · ( x +3 ) + 8x · ( x +3 ) -21x · ( x +3 ) + 7 · ( x +3 ) = 0
36 x 2 -12x +8 x · ( x +3 )-21 x · ( x +3 ) +7x +21 = 0
36 x 2 -12x + ( 8 x 2 +24x ) + ( -21 x 2 -63x ) +7x +21 = 0
23 x 2 -44x +21 = 0

23 x 2 -44x +21 = 0

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

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

x1,2 = +44 ± ( -44 ) 2 -4 · 23 · 21 223

x1,2 = +44 ± 1936 -1932 46

x1,2 = +44 ± 4 46

x1 = 44 + 4 46 = 44 +2 46 = 46 46 = 1

x2 = 44 - 4 46 = 44 -2 46 = 42 46 = 21 23

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 "23 " teilen:

23 x 2 -44x +21 = 0 |: 23

x 2 - 44 23 x + 21 23 = 0

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

D = ( - 22 23 ) 2 - ( 21 23 ) = 484 529 - 21 23 = 484 529 - 483 529 = 1 529

x1,2 = 22 23 ± 1 529

x1 = 22 23 - 1 23 = 21 23 = 0.91304347826087

x2 = 22 23 + 1 23 = 23 23 = 1

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 21 23 ; 1 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 4 -4 x 3 -33 x 2 +4x +32 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 4 -4 x 3 -33 x 2 +4x +32 = 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 32 .

-1 ist eine Lösung, denn ( -1 ) 4 -4 ( -1 ) 3 -33 ( -1 ) 2 +4( -1 ) +32 = 0.

Wir führen also eine Polynomdivison mit dem Divisor (x+1) durch.

( x 4 -4 x 3 -33 x 2 +4x +32 ) : (x+1) = x 3 -5 x 2 -28x +32
-( x 4 + x 3 )
-5 x 3 -33 x 2
-( -5 x 3 -5 x 2 )
-28 x 2 +4x
-( -28 x 2 -28x )
32x +32
-( 32x +32 )
0

es gilt also:

x 4 -4 x 3 -33 x 2 +4x +32 = ( x 3 -5 x 2 -28x +32 ) · ( x +1 )

( x 3 -5 x 2 -28x +32 ) · ( x +1 ) = 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 -5 x 2 -28x +32 = 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 32 .

1 ist eine Lösung, denn 1 3 -5 1 2 -281 +32 = 0.

Wir führen also eine Polynomdivison mit dem Divisor (x-1) durch.

( x 3 -5 x 2 -28x +32 ) : (x-1) = x 2 -4x -32
-( x 3 - x 2 )
-4 x 2 -28x
-( -4 x 2 +4x )
-32x +32
-( -32x +32 )
0

es gilt also:

x 3 -5 x 2 -28x +32 = ( x 2 -4x -32 ) · ( x -1 )

( x 2 -4x -32 ) · ( x -1 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 -4x -32 = 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 · ( -32 ) 21

x1,2 = +4 ± 16 +128 2

x1,2 = +4 ± 144 2

x1 = 4 + 144 2 = 4 +12 2 = 16 2 = 8

x2 = 4 - 144 2 = 4 -12 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 = ( -2 ) 2 - ( -32 ) = 4+ 32 = 36

x1,2 = 2 ± 36

x1 = 2 - 6 = -4

x2 = 2 + 6 = 8


2. Fall:

x -1 = 0 | +1
x3 = 1

Polynomdivision mit -4

Polynomdivision mit 8


2. Fall:

x +1 = 0 | -1
x4 = -1

L={ -4 ; -1 ; 1 ; 8 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

| 2x -10 | +4 = 16

Lösung einblenden
| 2x -10 | +4 = 16 | -4
| 2x -10 | = 12

1. Fall: 2x -10 ≥ 0:

2x -10 = 12 | +10
2x = 22 |:2
x1 = 11

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 2x -10 ≥ 0) genügt:

211 -10 = 12 ≥ 0

Die Lösung 11 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 2x -10 < 0:

-( 2x -10 ) = 12
-2x +10 = 12 | -10
-2x = 2 |:(-2 )
x2 = -1

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 2x -10 < 0) genügt:

2( -1 ) -10 = -12 < 0

Die Lösung -1 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -1 ; 11 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

x 2 -2x + t - 1 = 0

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

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

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

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

4 -4t +4 = 0
-4t +8 = 0 | -8
-4t = -8 |:(-4 )
t = 2

Für t = 2 ist also die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung.