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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 4 -9 und g(x)= -8 x 2 . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

x 4 -9 = -8 x 2 | +8 x 2
x 4 +8 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 +8u -9 = 0

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

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

u1,2 = -8 ± 8 2 -4 · 1 · ( -9 ) 21

u1,2 = -8 ± 64 +36 2

u1,2 = -8 ± 100 2

u1 = -8 + 100 2 = -8 +10 2 = 2 2 = 1

u2 = -8 - 100 2 = -8 -10 2 = -18 2 = -9

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 = 4 2 - ( -9 ) = 16+ 9 = 25

x1,2 = -4 ± 25

x1 = -4 - 5 = -9

x2 = -4 + 5 = 1

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 1

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

u2: x 2 = -9

x 2 = -9 | 2

Diese Gleichung hat keine (reele) Lösung!

L={ -1 ; 1 }

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

x1 = -1 : f( -1 )= -8 ( -1 ) 2 = -8 Somit gilt: S1( -1 |-8)

x2 = 1 : f( 1 )= -8 1 2 = -8 Somit gilt: S2( 1 |-8)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 6 e 6x - 4 3 e 3x parallel zur Geraden y = 21x +5 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 21x +5 gilt m = 21

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

f(x)= 1 6 e 6x - 4 3 e 3x

f'(x)= e 6x -4 e 3x

Also muss gelten:

e 6x -4 e 3x = 21 | -21
e 6x -4 e 3x -21 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -4u -21 = 0

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

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

u1,2 = +4 ± ( -4 ) 2 -4 · 1 · ( -21 ) 21

u1,2 = +4 ± 16 +84 2

u1,2 = +4 ± 100 2

u1 = 4 + 100 2 = 4 +10 2 = 14 2 = 7

u2 = 4 - 100 2 = 4 -10 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 = ( -2 ) 2 - ( -21 ) = 4+ 21 = 25

x1,2 = 2 ± 25

x1 = 2 - 5 = -3

x2 = 2 + 5 = 7

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 7

e 3x = 7 |ln(⋅)
3x = ln( 7 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 7 ) ≈ 0.6486

u2: e 3x = -3

e 3x = -3

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 3 ln( 7 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 21 und sind somit parallel zur Geraden y = 21x +5 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

( 9 e -6x -6 ) · ( x +1 ) = 0

Lösung einblenden
( 9 e -6x -6 ) ( x +1 ) = 0

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

1. Fall:

9 e -6x -6 = 0 | +6
9 e -6x = 6 |:9
e -6x = 2 3 |ln(⋅)
-6x = ln( 2 3 ) |:-6
x1 = - 1 6 ln( 2 3 ) ≈ 0.0676

2. Fall:

x +1 = 0 | -1
x2 = -1

L={ -1 ; - 1 6 ln( 2 3 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

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

Lösung einblenden

D=R\{ 2 ; 5 2 }

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

Wir multiplizieren den Nenner x -2 weg!

2x x -2 + x -1 2x -5 -5 = 0 |⋅( x -2 )
2x x -2 · ( x -2 ) + x -1 2x -5 · ( x -2 ) -5 · ( x -2 ) = 0
2x + ( x -1 ) ( x -2 ) 2x -5 -5x +10 = 0
2x + x 2 -3x +2 2x -5 -5x +10 = 0
x 2 -3x +2 2x -5 +2x -5x +10 = 0

Wir multiplizieren den Nenner 2x -5 weg!

x 2 -3x +2 2x -5 +2x -5x +10 = 0 |⋅( 2x -5 )
x 2 -3x +2 2x -5 · ( 2x -5 ) + 2x · ( 2x -5 ) -5x · ( 2x -5 ) + 10 · ( 2x -5 ) = 0
x 2 -3x +2 +2 x ( 2x -5 )-5 x ( 2x -5 ) +20x -50 = 0
x 2 -3x +2 + ( 4 x 2 -10x ) + ( -10 x 2 +25x ) +20x -50 = 0
-5 x 2 +32x -48 = 0

-5 x 2 +32x -48 = 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 · ( -5 ) · ( -48 ) 2( -5 )

x1,2 = -32 ± 1024 -960 -10

x1,2 = -32 ± 64 -10

x1 = -32 + 64 -10 = -32 +8 -10 = -24 -10 = 2,4

x2 = -32 - 64 -10 = -32 -8 -10 = -40 -10 = 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 "-5 " teilen:

-5 x 2 +32x -48 = 0 |: -5

x 2 - 32 5 x + 48 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 = ( - 16 5 ) 2 - ( 48 5 ) = 256 25 - 48 5 = 256 25 - 240 25 = 16 25

x1,2 = 16 5 ± 16 25

x1 = 16 5 - 4 5 = 12 5 = 2.4

x2 = 16 5 + 4 5 = 20 5 = 4

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ 2,4 ; 4 }

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 -532 +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 = 10 2 = 5

x2 = -4 - 196 2 = -4 -14 2 = -18 2 = -9

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 = -9

x2 = -2 + 7 = 5


2. Fall:

x -2 = 0 | +2
x3 = 2

Polynomdivision mit 5

Polynomdivision mit -9

L={ -9 ; 2 ; 5 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- 1 3 | 2x +4 | +5 = 3

Lösung einblenden
- 1 3 | 2x +4 | +5 = 3 | -5
- 1 3 | 2x +4 | = -2 |⋅ ( -3 )
| 2x +4 | = 6

1. Fall: 2x +4 ≥ 0:

2x +4 = 6 | -4
2x = 2 |:2
x1 = 1

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 2x +4 ≥ 0) genügt:

21 +4 = 6 ≥ 0

Die Lösung 1 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 2x +4 < 0:

-( 2x +4 ) = 6
-2x -4 = 6 | +4
-2x = 10 |:(-2 )
x2 = -5

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 2x +4 < 0) genügt:

2( -5 ) +4 = -6 < 0

Die Lösung -5 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -5 ; 1 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ln( x 2 + x -2 t ) genau 0 Nullstellen?

Lösung einblenden

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

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

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

x 2 + x -2 t - 1 = 0

x 2 + x + ( -2t -1 ) =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

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

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

  • Ist 1 + 8t +4 > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 1 + 8t +4 = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 1 + 8t +4 <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 1 + 8t +4 = 0 wird.

1 +8t +4 = 0
8t +5 = 0 | -5
8t = -5 |:8
t = - 5 8

Da rechts der Nullstelle t= - 5 8 beispielsweise für t = 0 der Radikand 1 + ( 80 +4 ) = 5 > 0 wird, sind also die Funktionswerte von 1 + 8t +4 für t > - 5 8 größer 0 und für t < - 5 8 kleiner 0

Für t < - 5 8 ist also der Term unter der Wurzel < 0 und es gibt keine Lösung.