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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= x 3 -5x und g(x)= - 4 x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

D=R\{0}

Wir multiplizieren den Nenner x weg!

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

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -5u +4 = 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 · 4 21

u1,2 = +5 ± 25 -16 2

u1,2 = +5 ± 9 2

u1 = 5 + 9 2 = 5 +3 2 = 8 2 = 4

u2 = 5 - 9 2 = 5 -3 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 ) 2 - 4 = 25 4 - 4 = 25 4 - 16 4 = 9 4

x1,2 = 5 2 ± 9 4

x1 = 5 2 - 3 2 = 2 2 = 1

x2 = 5 2 + 3 2 = 8 2 = 4

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 4

x 2 = 4 | 2
x1 = - 4 = -2
x2 = 4 = 2

u2: x 2 = 1

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

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -2 ; -1 ; 1 ; 2 }

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

x1 = -2 : f( -2 )= - 4 ( -2 ) = 2 Somit gilt: S1( -2 |2)

x2 = -1 : f( -1 )= - 4 ( -1 ) = 4 Somit gilt: S2( -1 |4)

x3 = 1 : f( 1 )= - 4 1 = -4 Somit gilt: S3( 1 |-4)

x4 = 2 : f( 2 )= - 4 2 = -2 Somit gilt: S4( 2 |-2)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 5 x 5 -6 x 3 parallel zur Geraden y = -81x -7 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = -81x -7 gilt m = -81

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

f(x)= 1 5 x 5 -6 x 3

f'(x)= x 4 -18 x 2

Also muss gelten:

x 4 -18 x 2 = -81 | +81
x 4 -18 x 2 +81 = 0

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

Setze u = x 2

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -18u +81 = 0

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

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

u1,2 = +18 ± ( -18 ) 2 -4 · 1 · 81 21

u1,2 = +18 ± 324 -324 2

u1,2 = +18 ± 0 2

Da die Wurzel Null ist, gibt es nur eine Lösung:

u = 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 = ( -9 ) 2 - 81 = 81 - 81 = 0

Da die Diskriminante D = 0 ist, hat die quadratische Gleichung nur eine Lösunng.

x = 9 ± 0 = 9

Rücksubstitution:

u1: x 2 = 9

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

u2: x 2 = 9

x 2 = 9 | 2
x3 = - 9 = -3
x4 = 9 = 3

L={ -3 ; 3 }

-3 ist 2-fache Lösung! 3 ist 2-fache Lösung!

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung -81 und sind somit parallel zur Geraden y = -81x -7 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

e 5x -2 e 3x -35 e x = 0

Lösung einblenden
e 5x -2 e 3x -35 e x = 0
( e 4x -2 e 2x -35 ) e x = 0

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

1. Fall:

e 4x -2 e 2x -35 = 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 -35 = 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 · ( -35 ) 21

u1,2 = +2 ± 4 +140 2

u1,2 = +2 ± 144 2

u1 = 2 + 144 2 = 2 +12 2 = 14 2 = 7

u2 = 2 - 144 2 = 2 -12 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 - ( -35 ) = 1+ 35 = 36

x1,2 = 1 ± 36

x1 = 1 - 6 = -5

x2 = 1 + 6 = 7

Rücksubstitution:

u1: e 2x = 7

e 2x = 7 |ln(⋅)
2x = ln( 7 ) |:2
x1 = 1 2 ln( 7 ) ≈ 0.973

u2: e 2x = -5

e 2x = -5

Diese Gleichung hat keine Lösung!


2. Fall:

e x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 1 2 ln( 7 ) }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

2x -4 x + 2x x +2 -7 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ -2 ; 0}

2x x +2 + 2x -4 x -7 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x +2 weg!

2x x +2 + 2x -4 x -7 = 0 |⋅( x +2 )
2x x +2 · ( x +2 ) + 2x -4 x · ( x +2 ) -7 · ( x +2 ) = 0
2x + ( 2x -4 ) ( x +2 ) x -7x -14 = 0
2x + 2 x 2 -8 x -7x -14 = 0
2 x 2 -8 x +2x -7x -14 = 0

Wir multiplizieren den Nenner x weg!

2 x 2 -8 x +2x -7x -14 = 0 |⋅( x )
2 x 2 -8 x · x + 2x · x -7x · x -14 · x = 0
2 x 2 -8 +2 x · x -7 x · x -14x = 0
2 x 2 -8 +2 x 2 -7 x 2 -14x = 0
-3 x 2 -14x -8 = 0

-3 x 2 -14x -8 = 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 · ( -3 ) · ( -8 ) 2( -3 )

x1,2 = +14 ± 196 -96 -6

x1,2 = +14 ± 100 -6

x1 = 14 + 100 -6 = 14 +10 -6 = 24 -6 = -4

x2 = 14 - 100 -6 = 14 -10 -6 = 4 -6 = - 2 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 "-3 " teilen:

-3 x 2 -14x -8 = 0 |: -3

x 2 + 14 3 x + 8 3 = 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 3 ) 2 - ( 8 3 ) = 49 9 - 8 3 = 49 9 - 24 9 = 25 9

x1,2 = - 7 3 ± 25 9

x1 = - 7 3 - 5 3 = - 12 3 = -4

x2 = - 7 3 + 5 3 = - 2 3 = -0.66666666666667

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ -4 ; - 2 3 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 + x 2 -46x +80 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 + x 2 -46x +80 = 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 80 .

2 ist eine Lösung, denn 2 3 + 2 2 -462 +80 = 0.

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

( x 3 + x 2 -46x +80 ) : (x-2) = x 2 +3x -40
-( x 3 -2 x 2 )
3 x 2 -46x
-( 3 x 2 -6x )
-40x +80
-( -40x +80 )
0

es gilt also:

x 3 + x 2 -46x +80 = ( x 2 +3x -40 ) · ( x -2 )

( x 2 +3x -40 ) ( x -2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 +3x -40 = 0

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

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

x1,2 = -3 ± 3 2 -4 · 1 · ( -40 ) 21

x1,2 = -3 ± 9 +160 2

x1,2 = -3 ± 169 2

x1 = -3 + 169 2 = -3 +13 2 = 10 2 = 5

x2 = -3 - 169 2 = -3 -13 2 = -16 2 = -8

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 = ( 3 2 ) 2 - ( -40 ) = 9 4 + 40 = 9 4 + 160 4 = 169 4

x1,2 = - 3 2 ± 169 4

x1 = - 3 2 - 13 2 = - 16 2 = -8

x2 = - 3 2 + 13 2 = 10 2 = 5


2. Fall:

x -2 = 0 | +2
x3 = 2

Polynomdivision mit 5

Polynomdivision mit -8

L={ -8 ; 2 ; 5 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

| 3x +15 | -4 = 11

Lösung einblenden
| 3x +15 | -4 = 11 | +4
| 3x +15 | = 15

1. Fall: 3x +15 ≥ 0:

3x +15 = 15 | -15
3x = 0 |:3
x1 = 0

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 3x +15 ≥ 0) genügt:

30 +15 = 15 ≥ 0

Die Lösung 0 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 3x +15 < 0:

-( 3x +15 ) = 15
-3x -15 = 15 | +15
-3x = 30 |:(-3 )
x2 = -10

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 3x +15 < 0) genügt:

3( -10 ) +15 = -15 < 0

Die Lösung -10 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -10 ; 0}

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

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

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

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

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

1. Fall:

t1 = 0

2. Fall:

t -4 = 0 | +4
t2 = 4

Da bei t 2 -4 t eine positive Zahl vor dem t² steht, ist der Graph von t 2 -4 t eine nach oben geöffnete Parabel, bei der die Funktionswerte zwischen den Nullstellen negativ und jeweils links und rechts der Nullstellen positiv sind.

Für t < 0 oder für t > 4 ist also der Term unter der Wurzel positiv und es gibt zwei Lösungen.