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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e x +1 und g(x)= 20 e -x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e x +1 = 20 e -x | -20 e -x
e x -20 e -x +1 = 0

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

e x -20 e -x +1 = 0 |⋅ e x
e 2x + e x -20 = 0

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 + u -20 = 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 · ( -20 ) 21

u1,2 = -1 ± 1 +80 2

u1,2 = -1 ± 81 2

u1 = -1 + 81 2 = -1 +9 2 = 8 2 = 4

u2 = -1 - 81 2 = -1 -9 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 = ( 1 2 ) 2 - ( -20 ) = 1 4 + 20 = 1 4 + 80 4 = 81 4

x1,2 = - 1 2 ± 81 4

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

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

Rücksubstitution:

u1: e x = 4

e x = 4 |ln(⋅)
x1 = ln( 4 ) ≈ 1.3863
x1 = 2 ln( 2 )

u2: e x = -5

e x = -5

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 2 ln( 2 ) }

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

x1 = 2 ln( 2 ) : f( 2 ln( 2 ) )= 20 e -( 2 ln( 2 ) ) = 5 Somit gilt: S1( 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 - 10 3 x 3 parallel zur Geraden y = -9x +2 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = -9x +2 gilt m = -9

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

f(x)= 1 5 x 5 - 10 3 x 3

f'(x)= x 4 -10 x 2

Also muss gelten:

x 4 -10 x 2 = -9 | +9
x 4 -10 x 2 +9 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -10u +9 = 0

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

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

u1,2 = +10 ± ( -10 ) 2 -4 · 1 · 9 21

u1,2 = +10 ± 100 -36 2

u1,2 = +10 ± 64 2

u1 = 10 + 64 2 = 10 +8 2 = 18 2 = 9

u2 = 10 - 64 2 = 10 -8 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 - 9 = 25 - 9 = 16

x1,2 = 5 ± 16

x1 = 5 - 4 = 1

x2 = 5 + 4 = 9

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 9

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

u2: x 2 = 1

x 2 = 1 | 2
x3 = - 1 = -1
x4 = 1 = 1

L={ -3 ; -1 ; 1 ; 3 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung -9 und sind somit parallel zur Geraden y = -9x +2 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

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

Lösung einblenden
e 5x +5 e 3x -6 e x = 0
( e 4x +5 e 2x -6 ) e x = 0

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

1. Fall:

e 4x +5 e 2x -6 = 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 -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 = 2 2 = 1

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

x1,2 = - 5 2 ± 49 4

x1 = - 5 2 - 7 2 = - 12 2 = -6

x2 = - 5 2 + 7 2 = 2 2 = 1

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 1

e 2x = 1 |ln(⋅)
2x = 0 |:2
x1 = 0 ≈ 0

u2: e 2x = -6

e 2x = -6

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={0}

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2x x -2 + x -2 3x -10 -5 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 2 ; 10 3 }

2x x -2 + x -2 3x -10 -5 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x -2 weg!

2x x -2 + x -2 3x -10 -5 = 0 |⋅( x -2 )
2x x -2 · ( x -2 ) + x -2 3x -10 · ( x -2 ) -5 · ( x -2 ) = 0
2x + ( x -2 ) ( x -2 ) 3x -10 -5x +10 = 0
2x + x 2 -4x +4 3x -10 -5x +10 = 0
x 2 -4x +4 3x -10 +2x -5x +10 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x -10 weg!

x 2 -4x +4 3x -10 +2x -5x +10 = 0 |⋅( 3x -10 )
x 2 -4x +4 3x -10 · ( 3x -10 ) + 2x · ( 3x -10 ) -5x · ( 3x -10 ) + 10 · ( 3x -10 ) = 0
x 2 -4x +4 +2 x ( 3x -10 )-5 x ( 3x -10 ) +30x -100 = 0
x 2 -4x +4 + ( 6 x 2 -20x ) + ( -15 x 2 +50x ) +30x -100 = 0
-8 x 2 +56x -96 = 0
-8 x 2 +56x -96 = 0 |:8

- x 2 +7x -12 = 0

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

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

x1,2 = -7 ± 7 2 -4 · ( -1 ) · ( -12 ) 2( -1 )

x1,2 = -7 ± 49 -48 -2

x1,2 = -7 ± 1 -2

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

x2 = -7 - 1 -2 = -7 -1 -2 = -8 -2 = 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 "-1 " teilen:

- x 2 +7x -12 = 0 |: -1

x 2 -7x +12 = 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 - 12 = 49 4 - 12 = 49 4 - 48 4 = 1 4

x1,2 = 7 2 ± 1 4

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

x2 = 7 2 + 1 2 = 8 2 = 4

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 3 ; 4 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3 x 3 +35 x 2 +77x +45 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 3 x 3 +35 x 2 +77x +45 = 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 45 .

-1 ist eine Lösung, denn 3 ( -1 ) 3 +35 ( -1 ) 2 +77( -1 ) +45 = 0.

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

( 3 x 3 +35 x 2 +77x +45 ) : (x+1) = 3 x 2 +32x +45
-( 3 x 3 +3 x 2 )
32 x 2 +77x
-( 32 x 2 +32x )
45x +45
-( 45x +45 )
0

es gilt also:

3 x 3 +35 x 2 +77x +45 = ( 3 x 2 +32x +45 ) · ( x +1 )

( 3 x 2 +32x +45 ) ( x +1 ) = 0

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

1. Fall:

3 x 2 +32x +45 = 0

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

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

x1,2 = -32 ± 32 2 -4 · 3 · 45 23

x1,2 = -32 ± 1024 -540 6

x1,2 = -32 ± 484 6

x1 = -32 + 484 6 = -32 +22 6 = -10 6 = - 5 3 ≈ -1.67

x2 = -32 - 484 6 = -32 -22 6 = -54 6 = -9

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 "3 " teilen:

3 x 2 +32x +45 = 0 |: 3

x 2 + 32 3 x +15 = 0

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

D = ( 16 3 ) 2 - 15 = 256 9 - 15 = 256 9 - 135 9 = 121 9

x1,2 = - 16 3 ± 121 9

x1 = - 16 3 - 11 3 = - 27 3 = -9

x2 = - 16 3 + 11 3 = - 5 3 = -1.6666666666667


2. Fall:

x +1 = 0 | -1
x3 = -1

Polynomdivision mit -9

L={ -9 ; - 5 3 ; -1 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 3 | -x +1 | -9 = -13

Lösung einblenden
- 1 3 | -x +1 | -9 = -13 | +9
- 1 3 | -x +1 | = -4 |⋅ ( -3 )
| -x +1 | = 12

1. Fall: -x +1 ≥ 0:

-x +1 = 12 | -1
-x = 11 |:(-1 )
x1 = -11

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

-( -11 ) +1 = 12 ≥ 0

Die Lösung -11 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: -x +1 < 0:

-( -x +1 ) = 12
x -1 = 12 | +1
x2 = 13

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

-13 +1 = -12 < 0

Die Lösung 13 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -11 ; 13 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ( x 2 +3 t x +5 t ) · e x genau 0 Nullstellen?

Lösung einblenden

Nach dem Satz vom Nullprodukt wird ( x 2 +3 t x +5 t ) · e x genau dann = 0, wenn x 2 +3 t x +5 t = 0 oder e x = 0 gilt:

Da ja aber e x für alle t und alle x immer größer als 0 ist, genügt es die Nullstellen von x 2 +3 t x +5 t zu untersuchen:

x 2 +3 t x +5 t =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = -3 t ± ( 3 t ) 2 -4 · 1 · 5 t 21 = -3 t ± 9 t 2 -20 t 2

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

  • Ist 9 t 2 -20 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 9 t 2 -20 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 9 t 2 -20 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 9 t 2 -20 t = 0 wird.

9 t 2 -20t = 0
t ( 9t -20 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

9t -20 = 0 | +20
9t = 20 |:9
t2 = 20 9

Da bei 9 t 2 -20 t eine positive Zahl vor dem t² steht, ist der Graph von 9 t 2 -20 t eine nach oben geöffnete Parabel, bei der die Funktionswerte zwischen den Nullstellen negativ und jeweils links und rechts der Nullstellen positiv sind.

Für 0 < t < 20 9 , also für t > 0 und t < 20 9 ist also der Term unter der Wurzel < 0 und es gibt keine Lösung.