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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= -6 e -2x +1 und g(x)= e -x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

-6 e -2x +1 = e -x | - e -x
- e -x -6 e -2x +1 = 0

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

- e -x -6 e -2x +1 = 0 |⋅ e 2x
e 2x - e x -6 = 0

Setze u = e x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 - u -6 = 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 · ( -6 ) 21

u1,2 = +1 ± 1 +24 2

u1,2 = +1 ± 25 2

u1 = 1 + 25 2 = 1 +5 2 = 6 2 = 3

u2 = 1 - 25 2 = 1 -5 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 ) 2 - ( -6 ) = 1 4 + 6 = 1 4 + 24 4 = 25 4

x1,2 = 1 2 ± 25 4

x1 = 1 2 - 5 2 = - 4 2 = -2

x2 = 1 2 + 5 2 = 6 2 = 3

Rücksubstitution:

u1: e x = 3

e x = 3 |ln(⋅)
x1 = ln( 3 ) ≈ 1.0986

u2: e x = -2

e x = -2

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ ln( 3 ) }

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

x1 = ln( 3 ) : f( ln( 3 ) )= e -( ln( 3 ) ) = 0.333 Somit gilt: S1( ln( 3 ) |0.333)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 3 x 3 + 1 2 x 2 parallel zur Geraden y = 30x +2 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 30x +2 gilt m = 30

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

f(x)= 1 3 x 3 + 1 2 x 2

f'(x)= x 2 + x

Also muss gelten:

x 2 + x = 30 | -30

x 2 + x -30 = 0

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

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

x1,2 = -1 ± 1 2 -4 · 1 · ( -30 ) 21

x1,2 = -1 ± 1 +120 2

x1,2 = -1 ± 121 2

x1 = -1 + 121 2 = -1 +11 2 = 10 2 = 5

x2 = -1 - 121 2 = -1 -11 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 = ( 1 2 ) 2 - ( -30 ) = 1 4 + 30 = 1 4 + 120 4 = 121 4

x1,2 = - 1 2 ± 121 4

x1 = - 1 2 - 11 2 = - 12 2 = -6

x2 = - 1 2 + 11 2 = 10 2 = 5

L={ -6 ; 5 }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 30 und sind somit parallel zur Geraden y = 30x +2 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 6x +30 e 2x = 11 e 4x

Lösung einblenden
e 6x +30 e 2x = 11 e 4x | -11 e 4x
e 6x -11 e 4x +30 e 2x = 0
( e 4x -11 e 2x +30 ) e 2x = 0

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

1. Fall:

e 4x -11 e 2x +30 = 0

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

Setze u = e 2x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -11u +30 = 0

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

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

u1,2 = +11 ± ( -11 ) 2 -4 · 1 · 30 21

u1,2 = +11 ± 121 -120 2

u1,2 = +11 ± 1 2

u1 = 11 + 1 2 = 11 +1 2 = 12 2 = 6

u2 = 11 - 1 2 = 11 -1 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 = ( - 11 2 ) 2 - 30 = 121 4 - 30 = 121 4 - 120 4 = 1 4

x1,2 = 11 2 ± 1 4

x1 = 11 2 - 1 2 = 10 2 = 5

x2 = 11 2 + 1 2 = 12 2 = 6

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 6

e 2x = 6 |ln(⋅)
2x = ln( 6 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 6 ) ≈ 0.8959

u2: e 2x = 5

e 2x = 5 |ln(⋅)
2x = ln( 5 ) |:2
x2 = 1 2 ln( 5 ) ≈ 0.8047

2. Fall:

e 2x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 5 ) ; 1 2 ln( 6 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

16x 3x -1 + 5x -1 3x + -48x 6x -2 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 1 3 ; 0}

16x 3x -1 + 5x -1 3x - 48x 6x -2 = 0
16x 3x -1 + 5x -1 3x - 48x 2( 3x -1 ) = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner 3x -1 weg!

16x 3x -1 + 5x -1 3x - 48x 2( 3x -1 ) = 0 |⋅( 3x -1 )
16x 3x -1 · ( 3x -1 ) + 5x -1 3x · ( 3x -1 )- 48x 2( 3x -1 ) · ( 3x -1 ) = 0
16x + ( 5x -1 ) ( 3x -1 ) 3x -24x = 0
16x + 15 x 2 -8x +1 3x -24x = 0
15 x 2 -8x +1 3x +16x -24x = 0

Wir multiplizieren den Nenner 3x weg!

15 x 2 -8x +1 3x +16x -24x = 0 |⋅( 3x )
15 x 2 -8x +1 3x · 3x + 16x · 3x -24x · 3x = 0
15 x 2 -8x +1 +48 x · x -72 x · x = 0
15 x 2 -8x +1 +48 x 2 -72 x 2 = 0
-9 x 2 -8x +1 = 0

-9 x 2 -8x +1 = 0

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

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

x1,2 = +8 ± ( -8 ) 2 -4 · ( -9 ) · 1 2( -9 )

x1,2 = +8 ± 64 +36 -18

x1,2 = +8 ± 100 -18

x1 = 8 + 100 -18 = 8 +10 -18 = 18 -18 = -1

x2 = 8 - 100 -18 = 8 -10 -18 = -2 -18 = 1 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 "-9 " teilen:

-9 x 2 -8x +1 = 0 |: -9

x 2 + 8 9 x - 1 9 = 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 9 ) 2 - ( - 1 9 ) = 16 81 + 1 9 = 16 81 + 9 81 = 25 81

x1,2 = - 4 9 ± 25 81

x1 = - 4 9 - 5 9 = - 9 9 = -1

x2 = - 4 9 + 5 9 = 1 9 = 0.11111111111111

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -1 ; 1 9 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 -3 x 2 -54x +112 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 -3 x 2 -54x +112 = 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 112 .

2 ist eine Lösung, denn 2 3 -3 2 2 -542 +112 = 0.

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

( x 3 -3 x 2 -54x +112 ) : (x-2) = x 2 - x -56
-( x 3 -2 x 2 )
- x 2 -54x
-( - x 2 +2x )
-56x +112
-( -56x +112 )
0

es gilt also:

x 3 -3 x 2 -54x +112 = ( x 2 - x -56 ) · ( x -2 )

( x 2 - x -56 ) ( x -2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 - x -56 = 0

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

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

x1,2 = +1 ± ( -1 ) 2 -4 · 1 · ( -56 ) 21

x1,2 = +1 ± 1 +224 2

x1,2 = +1 ± 225 2

x1 = 1 + 225 2 = 1 +15 2 = 16 2 = 8

x2 = 1 - 225 2 = 1 -15 2 = -14 2 = -7

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 - ( -56 ) = 1 4 + 56 = 1 4 + 224 4 = 225 4

x1,2 = 1 2 ± 225 4

x1 = 1 2 - 15 2 = - 14 2 = -7

x2 = 1 2 + 15 2 = 16 2 = 8


2. Fall:

x -2 = 0 | +2
x3 = 2

Polynomdivision mit -7

Polynomdivision mit 8

L={ -7 ; 2 ; 8 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

1 3 | -3x +15 | +8 = 5

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1 3 | -3x +15 | +8 = 5 | -8
1 3 | -3x +15 | = -3 |⋅3
| -3x +15 | = -9

Da der Betrag links immer ≥ 0 sein muss, rechts aber eine negative Zahl steht, hat diese Gleichung keine Lösung!

L={}

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= ( x 2 -4 t x -2 t ) · e - 1 3 t x genau 0 Nullstellen?

Lösung einblenden

Nach dem Satz vom Nullprodukt wird ( x 2 -4 t x -2 t ) · e - 1 3 t x genau dann = 0, wenn x 2 -4 t x -2 t = 0 oder e - 1 3 t x = 0 gilt:

Da ja aber e - 1 3 t x für alle t und alle x immer größer als 0 ist, genügt es die Nullstellen von x 2 -4 t x -2 t zu untersuchen:

x 2 -4 t x -2 t =0 ist eine quadratische Gleichung, bei der wir am einfachsten die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel) anwenden:

x1,2 = +4 t ± ( -4 t ) 2 -4 · 1 · ( -2 t ) 21 = +4 t ± 16 t 2 +8 t 2

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

  • Ist 16 t 2 +8 t > 0, so kann man die Wurzel bilden und es gibt (wegen dem ±) zwei Lösungen
  • Ist 16 t 2 +8 t = 0, so ist auch die Wurzel =0 und es gibt nur eine Lösung
  • Ist 16 t 2 +8 t <0, so existiert die Wurzel nicht und es gibt gar keine Lösung

Wir untersuchen also erstmal, wann der Radikand 16 t 2 +8 t = 0 wird.

16 t 2 +8t = 0
8 t ( 2t +1 ) = 0

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

2t +1 = 0 | -1
2t = -1 |:2
t2 = - 1 2 = -0.5

Da bei 16 t 2 +8 t eine positive Zahl vor dem t² steht, ist der Graph von 16 t 2 +8 t eine nach oben geöffnete Parabel, bei der die Funktionswerte zwischen den Nullstellen negativ und jeweils links und rechts der Nullstellen positiv sind.

Für - 1 2 < t < 0 , also für t > - 1 2 und t < 0 ist also der Term unter der Wurzel < 0 und es gibt keine Lösung.