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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 4 -2 x 2 und g(x)= 8 . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

x 4 -2 x 2 = 8 | -8
x 4 -2 x 2 -8 = 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 -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: x 2 = 4

x 2 = 4 | 2
x1 = - 4 = -2
x2 = 4 = 2

u2: x 2 = -2

x 2 = -2 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -2 ; 2 }

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

x1 = -2 : f( -2 )= 8 Somit gilt: S1( -2 |8)

x2 = 2 : f( 2 )= 8 Somit gilt: S2( 2 |8)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 4 e 4x - 5 2 e 2x parallel zur Geraden y = 14x -3 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 14x -3 gilt m = 14

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

f(x)= 1 4 e 4x - 5 2 e 2x

f'(x)= e 4x -5 e 2x

Also muss gelten:

e 4x -5 e 2x = 14 | -14
e 4x -5 e 2x -14 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -5u -14 = 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 · ( -14 ) 21

u1,2 = +5 ± 25 +56 2

u1,2 = +5 ± 81 2

u1 = 5 + 81 2 = 5 +9 2 = 14 2 = 7

u2 = 5 - 81 2 = 5 -9 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 = ( - 5 2 ) 2 - ( -14 ) = 25 4 + 14 = 25 4 + 56 4 = 81 4

x1,2 = 5 2 ± 81 4

x1 = 5 2 - 9 2 = - 4 2 = -2

x2 = 5 2 + 9 2 = 14 2 = 7

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 7

e 2x = 7 |ln(⋅)
2x = ln( 7 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 7 ) ≈ 0.973

u2: e 2x = -2

e 2x = -2

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 7 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 14 und sind somit parallel zur Geraden y = 14x -3 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

( -4 e -4x +7 ) · ( x 4 -4 x 2 ) = 0

Lösung einblenden
( -4 e -4x +7 ) ( x 4 -4 x 2 ) = 0

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

1. Fall:

-4 e -4x +7 = 0 | -7
-4 e -4x = -7 |:-4
e -4x = 7 4 |ln(⋅)
-4x = ln( 7 4 ) |:-4
x1 = - 1 4 ln( 7 4 ) ≈ -0.1399

2. Fall:

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

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

1. Fall:

x 2 = 0 | 2
x2 = 0

2. Fall:

x 2 -4 = 0 | +4
x 2 = 4 | 2
x3 = - 4 = -2
x4 = 4 = 2

L={ -2 ; - 1 4 ln( 7 4 ) ; 0; 2 }

0 ist 2-fache Lösung!

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

6x 3x -3 + 3x 3x -4 -7 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 4 3 ; 1 }

3x 3x -4 + 6x 3x -3 -7 = 0
3x 3x -4 + 6x 3( x -1 ) -7 = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner 3x -4 weg!

3x 3x -4 + 6x 3( x -1 ) -7 = 0 |⋅( 3x -4 )
3x 3x -4 · ( 3x -4 ) + 6x 3( x -1 ) · ( 3x -4 ) -7 · ( 3x -4 ) = 0
3x + 2 x ( 3x -4 ) x -1 -21x +28 = 0
3x + 6 x 2 -8x x -1 -21x +28 = 0
6 x 2 -8x x -1 +3x -21x +28 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x -1 weg!

6 x 2 -8x x -1 +3x -21x +28 = 0 |⋅( x -1 )
6 x 2 -8x x -1 · ( x -1 ) + 3x · ( x -1 ) -21x · ( x -1 ) + 28 · ( x -1 ) = 0
6 x 2 -8x +3 x ( x -1 )-21 x ( x -1 ) +28x -28 = 0
6 x 2 -8x + ( 3 x 2 -3x ) + ( -21 x 2 +21x ) +28x -28 = 0
-12 x 2 +38x -28 = 0
-12 x 2 +38x -28 = 0 |:2

-6 x 2 +19x -14 = 0

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

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

x1,2 = -19 ± 19 2 -4 · ( -6 ) · ( -14 ) 2( -6 )

x1,2 = -19 ± 361 -336 -12

x1,2 = -19 ± 25 -12

x1 = -19 + 25 -12 = -19 +5 -12 = -14 -12 = 7 6 ≈ 1.17

x2 = -19 - 25 -12 = -19 -5 -12 = -24 -12 = 2

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 "-6 " teilen:

-6 x 2 +19x -14 = 0 |: -6

x 2 - 19 6 x + 7 3 = 0

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

D = ( - 19 12 ) 2 - ( 7 3 ) = 361 144 - 7 3 = 361 144 - 336 144 = 25 144

x1,2 = 19 12 ± 25 144

x1 = 19 12 - 5 12 = 14 12 = 1.1666666666667

x2 = 19 12 + 5 12 = 24 12 = 2

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 7 6 ; 2 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 -2 x 2 -53x -90 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 -2 x 2 -53x -90 = 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 -90 .

-2 ist eine Lösung, denn ( -2 ) 3 -2 ( -2 ) 2 -53( -2 ) -90 = 0.

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

( x 3 -2 x 2 -53x -90 ) : (x+2) = x 2 -4x -45
-( x 3 +2 x 2 )
-4 x 2 -53x
-( -4 x 2 -8x )
-45x -90
-( -45x -90 )
0

es gilt also:

x 3 -2 x 2 -53x -90 = ( x 2 -4x -45 ) · ( x +2 )

( x 2 -4x -45 ) ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 -4x -45 = 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 · ( -45 ) 21

x1,2 = +4 ± 16 +180 2

x1,2 = +4 ± 196 2

x1 = 4 + 196 2 = 4 +14 2 = 18 2 = 9

x2 = 4 - 196 2 = 4 -14 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 = ( -2 ) 2 - ( -45 ) = 4+ 45 = 49

x1,2 = 2 ± 49

x1 = 2 - 7 = -5

x2 = 2 + 7 = 9


2. Fall:

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

Polynomdivision mit -5

Polynomdivision mit 9

L={ -5 ; -2 ; 9 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

| 2x -2 | -4 = 2

Lösung einblenden
| 2x -2 | -4 = 2 | +4
| 2x -2 | = 6

1. Fall: 2x -2 ≥ 0:

2x -2 = 6 | +2
2x = 8 |:2
x1 = 4

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

24 -2 = 6 ≥ 0

Die Lösung 4 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 2x -2 < 0:

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

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

2( -2 ) -2 = -6 < 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 -2x +3 t genau 1 Nullstelle?

Lösung einblenden

x 2 -2x +3 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 · 3 t 21 = +2 ± 4 -12 t 2

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

  • Ist 4 -12 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 4 -12 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 4 -12 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 4 -12 t = 0 wird.

4 -12t = 0
-12t +4 = 0 | -4
-12t = -4 |:(-12 )
t = 1 3

Für t = 1 3 ist also die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung.