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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 4x - e 2x und g(x)= 12 . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e 4x - e 2x = 12 | -12
e 4x - e 2x -12 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 - u -12 = 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 · ( -12 ) 21

u1,2 = +1 ± 1 +48 2

u1,2 = +1 ± 49 2

u1 = 1 + 49 2 = 1 +7 2 = 8 2 = 4

u2 = 1 - 49 2 = 1 -7 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 = ( - 1 2 ) 2 - ( -12 ) = 1 4 + 12 = 1 4 + 48 4 = 49 4

x1,2 = 1 2 ± 49 4

x1 = 1 2 - 7 2 = - 6 2 = -3

x2 = 1 2 + 7 2 = 8 2 = 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 = -3

e 2x = -3

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 2 ) }

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

x1 = ln( 2 ) : f( ln( 2 ) )= 12 Somit gilt: S1( ln( 2 ) |12)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 7 x 7 - 7 4 x 4 parallel zur Geraden y = 8x -7 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 8x -7 gilt m = 8

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

f(x)= 1 7 x 7 - 7 4 x 4

f'(x)= x 6 -7 x 3

Also muss gelten:

x 6 -7 x 3 = 8 | -8
x 6 -7 x 3 -8 = 0

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

Setze u = x 3

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -7u -8 = 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 · ( -8 ) 21

u1,2 = +7 ± 49 +32 2

u1,2 = +7 ± 81 2

u1 = 7 + 81 2 = 7 +9 2 = 16 2 = 8

u2 = 7 - 81 2 = 7 -9 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 = ( - 7 2 ) 2 - ( -8 ) = 49 4 + 8 = 49 4 + 32 4 = 81 4

x1,2 = 7 2 ± 81 4

x1 = 7 2 - 9 2 = - 2 2 = -1

x2 = 7 2 + 9 2 = 16 2 = 8

Rücksubstitution:

u1: x 3 = 8

x 3 = 8 | 3
x1 = 8 3 = 2

u2: x 3 = -1

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

L={ -1 ; 2 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 8 und sind somit parallel zur Geraden y = 8x -7 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

-2 e 2x -15 e x = - e 3x

Lösung einblenden
-2 e 2x -15 e x = - e 3x | + e 3x
e 3x -2 e 2x -15 e x = 0
( e 2x -2 e x -15 ) · e x = 0

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

1. Fall:

e 2x -2 e x -15 = 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 -15 = 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 · ( -15 ) 21

u1,2 = +2 ± 4 +60 2

u1,2 = +2 ± 64 2

u1 = 2 + 64 2 = 2 +8 2 = 10 2 = 5

u2 = 2 - 64 2 = 2 -8 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 = ( -1 ) 2 - ( -15 ) = 1+ 15 = 16

x1,2 = 1 ± 16

x1 = 1 - 4 = -3

x2 = 1 + 4 = 5

Rücksubstitution:

u1: e x = 5

e x = 5 |ln(⋅)
x1 = ln( 5 ) ≈ 1.6094

u2: e x = -3

e x = -3

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 5 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x +2 x + 5x -1 3x -3 -5 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 1 ; 0}

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

Wir multiplizieren den Nenner 3( x -1 ) weg!

5x -1 3( x -1 ) + x +2 x -5 = 0 |⋅( 3( x -1 ) )
5x -1 3( x -1 ) · ( 3( x -1 ) ) + x +2 x · ( 3( x -1 ) ) -5 · ( 3( x -1 ) ) = 0
5x -1 +3 ( x +2 ) · ( x -1 ) x -15x +15 = 0
5x -1 + 3( x 2 + x -2 ) x -15x +15 = 0
3( x 2 + x -2 ) x +5x -15x -1 +15 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x weg!

3( x 2 + x -2 ) x +5x -15x -1 +15 = 0 |⋅( x )
3( x 2 + x -2 ) x · x + 5x · x -15x · x -1 · x + 15 · x = 0
3 x 2 +3x -6 +5 x · x -15 x · x - x +15x = 0
3 x 2 +3x -6 +5 x 2 -15 x 2 - x +15x = 0
-7 x 2 +17x -6 = 0

-7 x 2 +17x -6 = 0

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

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

x1,2 = -17 ± 17 2 -4 · ( -7 ) · ( -6 ) 2( -7 )

x1,2 = -17 ± 289 -168 -14

x1,2 = -17 ± 121 -14

x1 = -17 + 121 -14 = -17 +11 -14 = -6 -14 = 3 7 ≈ 0.43

x2 = -17 - 121 -14 = -17 -11 -14 = -28 -14 = 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 "-7 " teilen:

-7 x 2 +17x -6 = 0 |: -7

x 2 - 17 7 x + 6 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 = ( - 17 14 ) 2 - ( 6 7 ) = 289 196 - 6 7 = 289 196 - 168 196 = 121 196

x1,2 = 17 14 ± 121 196

x1 = 17 14 - 11 14 = 6 14 = 0.42857142857143

x2 = 17 14 + 11 14 = 28 14 = 2

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 3 7 ; 2 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2 x 3 +15 x 2 +34x +24 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 2 x 3 +15 x 2 +34x +24 = 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 24 .

-2 ist eine Lösung, denn 2 ( -2 ) 3 +15 ( -2 ) 2 +34( -2 ) +24 = 0.

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

( 2 x 3 +15 x 2 +34x +24 ) : (x+2) = 2 x 2 +11x +12
-( 2 x 3 +4 x 2 )
11 x 2 +34x
-( 11 x 2 +22x )
12x +24
-( 12x +24 )
0

es gilt also:

2 x 3 +15 x 2 +34x +24 = ( 2 x 2 +11x +12 ) · ( x +2 )

( 2 x 2 +11x +12 ) · ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

2 x 2 +11x +12 = 0

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

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

x1,2 = -11 ± 11 2 -4 · 2 · 12 22

x1,2 = -11 ± 121 -96 4

x1,2 = -11 ± 25 4

x1 = -11 + 25 4 = -11 +5 4 = -6 4 = -1,5

x2 = -11 - 25 4 = -11 -5 4 = -16 4 = -4

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 "2 " teilen:

2 x 2 +11x +12 = 0 |: 2

x 2 + 11 2 x +6 = 0

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

D = ( 11 4 ) 2 - 6 = 121 16 - 6 = 121 16 - 96 16 = 25 16

x1,2 = - 11 4 ± 25 16

x1 = - 11 4 - 5 4 = - 16 4 = -4

x2 = - 11 4 + 5 4 = - 6 4 = -1.5


2. Fall:

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

Polynomdivision mit -4

L={ -4 ; -2 ; -1,5 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 3 | 4x +4 | -9 = -21

Lösung einblenden
- 1 3 | 4x +4 | -9 = -21 | +9
- 1 3 | 4x +4 | = -12 |⋅ ( -3 )
| 4x +4 | = 36

1. Fall: 4x +4 ≥ 0:

4x +4 = 36 | -4
4x = 32 |:4
x1 = 8

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 4x +4 ≥ 0) genügt:

48 +4 = 36 ≥ 0

Die Lösung 8 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 4x +4 < 0:

-( 4x +4 ) = 36
-4x -4 = 36 | +4
-4x = 40 |:(-4 )
x2 = -10

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 4x +4 < 0) genügt:

4( -10 ) +4 = -36 < 0

Die Lösung -10 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -10 ; 8 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

  • Ist 1 +8 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 1 +8 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 1 +8 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 1 +8 t = 0 wird.

1 +8t = 0
8t +1 = 0 | -1
8t = -1 |:8
t = - 1 8

Da rechts der Nullstelle t= - 1 8 beispielsweise für t = 1 der Radikand 1 +81 = 9 > 0 wird, sind also die Funktionswerte von 1 +8 t für t > - 1 8 größer 0 und für t < - 1 8 kleiner 0

Für t > - 1 8 ist also der Term unter der Wurzel positiv und es gibt zwei Lösungen.