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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 6x +2 e 4x und g(x)= 3 e 2x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e 6x +2 e 4x = 3 e 2x | -3 e 2x
e 6x +2 e 4x -3 e 2x = 0
( e 4x +2 e 2x -3 ) e 2x = 0

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

1. Fall:

e 4x +2 e 2x -3 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 +2u -3 = 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 · ( -3 ) 21

u1,2 = -2 ± 4 +12 2

u1,2 = -2 ± 16 2

u1 = -2 + 16 2 = -2 +4 2 = 2 2 = 1

u2 = -2 - 16 2 = -2 -4 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 - ( -3 ) = 1+ 3 = 4

x1,2 = -1 ± 4

x1 = -1 - 2 = -3

x2 = -1 + 2 = 1

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 1

e 2x = 1 |ln(⋅)
2x = 0 |:2
x1 = 0 ≈ 0

u2: e 2x = -3

e 2x = -3

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={0}

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

x1 = 0: f(0)= 3 e 20 = 3 Somit gilt: S1(0|3)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = -x -2 gilt m = -1

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

f(x)= 1 5 x 5 - 2 3 x 3

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

Also muss gelten:

x 4 -2 x 2 = -1 | +1
x 4 -2 x 2 +1 = 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 +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 2 = 1

x 2 = 1 | 2
x1 = - 1 = -1
x2 = 1 = 1

u2: x 2 = 1

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

L={ -1 ; 1 }

-1 ist 2-fache Lösung! 1 ist 2-fache Lösung!

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung -1 und sind somit parallel zur Geraden y = -x -2 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 6x -9 e 3x +20 = 0

Lösung einblenden
e 6x -9 e 3x +20 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -9u +20 = 0

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

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

u1,2 = +9 ± ( -9 ) 2 -4 · 1 · 20 21

u1,2 = +9 ± 81 -80 2

u1,2 = +9 ± 1 2

u1 = 9 + 1 2 = 9 +1 2 = 10 2 = 5

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

x1,2 = 9 2 ± 1 4

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

x2 = 9 2 + 1 2 = 10 2 = 5

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 5

e 3x = 5 |ln(⋅)
3x = ln( 5 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 5 ) ≈ 0.5365

u2: e 3x = 4

e 3x = 4 |ln(⋅)
3x = ln( 4 ) |:3
x2 = 1 3 ln( 4 ) ≈ 0.4621
x2 = 2 3 ln( 2 )

L={ 2 3 ln( 2 ) ; 1 3 ln( 5 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3x +1 3x +5 + 5x -1 x -1 + -24x 9x +15 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 1 ; - 5 3 }

5x -1 x -1 + 3x +1 3x +5 - 24x 9x +15 = 0
5x -1 x -1 + 3x +1 3x +5 - 24x 3( 3x +5 ) = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner x -1 weg!

5x -1 x -1 + 3x +1 3x +5 - 24x 3( 3x +5 ) = 0 |⋅( x -1 )
5x -1 x -1 · ( x -1 ) + 3x +1 3x +5 · ( x -1 )- 24x 3( 3x +5 ) · ( x -1 ) = 0
5x -1 + ( 3x +1 ) ( x -1 ) 3x +5 - 8 x ( x -1 ) 3x +5 = 0
5x -1 + 3 x 2 -2x -1 3x +5 - 8 x 2 -8x 3x +5 = 0
3 x 2 -2x -1 -8 x 2 +8x 3x +5 +5x -1 = 0
3 x 2 -8 x 2 -2x +8x -1 3x +5 +5x -1 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x +5 weg!

3 x 2 -8 x 2 -2x +8x -1 3x +5 +5x -1 = 0 |⋅( 3x +5 )
3 x 2 -8 x 2 -2x +8x -1 3x +5 · ( 3x +5 ) + 5x · ( 3x +5 ) -1 · ( 3x +5 ) = 0
3 x 2 -8 x 2 -2x +8x -1 +5 x ( 3x +5 ) -3x -5 = 0
3 x 2 -8 x 2 -2x +8x -1 + ( 15 x 2 +25x ) -3x -5 = 0
10 x 2 +28x -6 = 0
10 x 2 +28x -6 = 0 |:2

5 x 2 +14x -3 = 0

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

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

x1,2 = -14 ± 14 2 -4 · 5 · ( -3 ) 25

x1,2 = -14 ± 196 +60 10

x1,2 = -14 ± 256 10

x1 = -14 + 256 10 = -14 +16 10 = 2 10 = 0,2

x2 = -14 - 256 10 = -14 -16 10 = -30 10 = -3

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 "5 " teilen:

5 x 2 +14x -3 = 0 |: 5

x 2 + 14 5 x - 3 5 = 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 5 ) 2 - ( - 3 5 ) = 49 25 + 3 5 = 49 25 + 15 25 = 64 25

x1,2 = - 7 5 ± 64 25

x1 = - 7 5 - 8 5 = - 15 5 = -3

x2 = - 7 5 + 8 5 = 1 5 = 0.2

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -3 ; 0,2 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

3 x 3 +26 x 2 +53x +30 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von 3 x 3 +26 x 2 +53x +30 = 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 30 .

-1 ist eine Lösung, denn 3 ( -1 ) 3 +26 ( -1 ) 2 +53( -1 ) +30 = 0.

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

( 3 x 3 +26 x 2 +53x +30 ) : (x+1) = 3 x 2 +23x +30
-( 3 x 3 +3 x 2 )
23 x 2 +53x
-( 23 x 2 +23x )
30x +30
-( 30x +30 )
0

es gilt also:

3 x 3 +26 x 2 +53x +30 = ( 3 x 2 +23x +30 ) · ( x +1 )

( 3 x 2 +23x +30 ) ( x +1 ) = 0

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

1. Fall:

3 x 2 +23x +30 = 0

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

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

x1,2 = -23 ± 23 2 -4 · 3 · 30 23

x1,2 = -23 ± 529 -360 6

x1,2 = -23 ± 169 6

x1 = -23 + 169 6 = -23 +13 6 = -10 6 = - 5 3 ≈ -1.67

x2 = -23 - 169 6 = -23 -13 6 = -36 6 = -6

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 +23x +30 = 0 |: 3

x 2 + 23 3 x +10 = 0

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

D = ( 23 6 ) 2 - 10 = 529 36 - 10 = 529 36 - 360 36 = 169 36

x1,2 = - 23 6 ± 169 36

x1 = - 23 6 - 13 6 = - 36 6 = -6

x2 = - 23 6 + 13 6 = - 10 6 = -1.6666666666667


2. Fall:

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

Polynomdivision mit -6

L={ -6 ; - 5 3 ; -1 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

1 3 | -4x -4 | -7 = 17

Lösung einblenden
1 3 | -4x -4 | -7 = 17 | +7
1 3 | -4x -4 | = 24 |⋅3
| -4x -4 | = 72

1. Fall: -4x -4 ≥ 0:

-4x -4 = 72 | +4
-4x = 76 |:(-4 )
x1 = -19

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

-4( -19 ) -4 = 72 ≥ 0

Die Lösung -19 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: -4x -4 < 0:

-( -4x -4 ) = 72
4x +4 = 72 | -4
4x = 68 |:4
x2 = 17

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

-417 -4 = -72 < 0

Die Lösung 17 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -19 ; 17 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ( x 2 -5 t x + t ) · e -x genau 1 Nullstelle?

Lösung einblenden

Nach dem Satz vom Nullprodukt wird ( x 2 -5 t x + t ) · e -x genau dann = 0, wenn x 2 -5 t x + 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 -5 t x + t zu untersuchen:

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

x1,2 = +5 t ± ( -5 t ) 2 -4 · 1 · t 21 = +5 t ± 25 t 2 -4 t 2

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

  • Ist 25 t 2 -4 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 25 t 2 -4 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 25 t 2 -4 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 25 t 2 -4 t = 0 wird.

25 t 2 -4t = 0
t ( 25t -4 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

25t -4 = 0 | +4
25t = 4 |:25
t2 = 4 25 = 0.16

Für t = 0 oder für t = 4 25 ist also die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung.