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Schnittpunkte berechnen

Beispiel:

Gegegben sind die Funktionen f und g mit f(x)= e 5x -11 e 3x und g(x)= -30 e x . Bestimme die Schnittpunkte der Graphen.

Lösung einblenden

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

e 5x -11 e 3x = -30 e x | +30 e x
e 5x -11 e 3x +30 e x = 0
( e 4x -11 e 2x +30 ) · e x = 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 x = 0

Diese Gleichung hat keine Lösung!

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

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

x1 = 1 2 ln( 5 ) : f( 1 2 ln( 5 ) )= -30 e 1 2 ln( 5 ) = -67.082 Somit gilt: S1( 1 2 ln( 5 ) |-67.082)

x2 = 1 2 ln( 6 ) : f( 1 2 ln( 6 ) )= -30 e 1 2 ln( 6 ) = -73.485 Somit gilt: S2( 1 2 ln( 6 ) |-73.485)

Steigung gleichsetzen

Beispiel:

Bestimme alle Stellen, an denen die Tangenten an den Graph von f mit f(x)= 1 6 e 6x - 2 3 e 3x parallel zur Geraden y = 8x +7 sind.

Lösung einblenden

Für die Steigung der Geraden y = 8x +7 gilt m = 8

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

f(x)= 1 6 e 6x - 2 3 e 3x

f'(x)= e 6x -2 e 3x

Also muss gelten:

e 6x -2 e 3x = 8 | -8
e 6x -2 e 3x -8 = 0

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

Setze u = e 3x

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

u 2 -2u -8 = 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 · ( -8 ) 21

u1,2 = +2 ± 4 +32 2

u1,2 = +2 ± 36 2

u1 = 2 + 36 2 = 2 +6 2 = 8 2 = 4

u2 = 2 - 36 2 = 2 -6 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 - ( -8 ) = 1+ 8 = 9

x1,2 = 1 ± 9

x1 = 1 - 3 = -2

x2 = 1 + 3 = 4

Rücksubstitution:

u1: e 3x = 4

e 3x = 4 |ln(⋅)
3x = ln( 4 ) |:3
x1 = 1 3 ln( 4 ) ≈ 0.4621
x1 = 2 3 ln( 2 )

u2: e 3x = -2

e 3x = -2

Diese Gleichung hat keine Lösung!

L={ 2 3 ln( 2 ) }

An diesen Stellen haben somit die Tangenten an f die Steigung 8 und sind somit parallel zur Geraden y = 8x +7 .

vermischte Gleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

( 7 e -7x -6 ) · ( x -4 ) = 0

Lösung einblenden
( 7 e -7x -6 ) · ( x -4 ) = 0

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

1. Fall:

7 e -7x -6 = 0 | +6
7 e -7x = 6 |:7
e -7x = 6 7 |ln(⋅)
-7x = ln( 6 7 ) |:-7
x1 = - 1 7 ln( 6 7 ) ≈ 0.022

2. Fall:

x -4 = 0 | +4
x2 = 4

L={ - 1 7 ln( 6 7 ) ; 4 }

Bruchgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

5x +1 2x + 6x 3x -1 + 36x -9x +3 = 0

Lösung einblenden

D=R\{ 1 3 ; 0}

6x 3x -1 + 5x +1 2x + 36x -9x +3 = 0
6x 3x -1 + 5x +1 2x + 36x 3( -3x +1 ) = 0 |(Nenner faktorisiert)

Wir multiplizieren den Nenner 3x -1 weg!

6x 3x -1 + 5x +1 2x + 36x 3( -3x +1 ) = 0 |⋅( 3x -1 )
6x 3x -1 · ( 3x -1 ) + 5x +1 2x · ( 3x -1 ) + 36x 3( -3x +1 ) · ( 3x -1 ) = 0
6x + ( 5x +1 ) · ( 3x -1 ) 2x + 12 x · ( 3x -1 ) -3x +1 = 0
6x + ( 5x +1 ) · ( 3x -1 ) 2x -12x = 0
6x + 15 x 2 -2x -1 2x -12x = 0
15 x 2 -2x -1 2x +6x -12x = 0

Wir multiplizieren den Nenner 2x weg!

15 x 2 -2x -1 2x +6x -12x = 0 |⋅( 2x )
15 x 2 -2x -1 2x · 2x + 6x · 2x -12x · 2x = 0
15 x 2 -2x -1 +12 x · x -24 x · x = 0
15 x 2 -2x -1 +12 x 2 -24 x 2 = 0
3 x 2 -2x -1 = 0

3 x 2 -2x -1 = 0

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

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

x1,2 = +2 ± ( -2 ) 2 -4 · 3 · ( -1 ) 23

x1,2 = +2 ± 4 +12 6

x1,2 = +2 ± 16 6

x1 = 2 + 16 6 = 2 +4 6 = 6 6 = 1

x2 = 2 - 16 6 = 2 -4 6 = -2 6 = - 1 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 -2x -1 = 0 |: 3

x 2 - 2 3 x - 1 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 = ( - 1 3 ) 2 - ( - 1 3 ) = 1 9 + 1 3 = 1 9 + 3 9 = 4 9

x1,2 = 1 3 ± 4 9

x1 = 1 3 - 2 3 = - 1 3 = -0.33333333333333

x2 = 1 3 + 2 3 = 3 3 = 1

(Alle Lösungen sind auch in der Definitionsmenge).

L={ - 1 3 ; 1 }

Gleichungen mit Polynomdivision

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

x 3 +14 x 2 +59x +70 = 0

Lösung einblenden

Die einzige und letzte Chance, die Lösungen von x 3 +14 x 2 +59x +70 = 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 70 .

-2 ist eine Lösung, denn ( -2 ) 3 +14 ( -2 ) 2 +59( -2 ) +70 = 0.

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

( x 3 +14 x 2 +59x +70 ) : (x+2) = x 2 +12x +35
-( x 3 +2 x 2 )
12 x 2 +59x
-( 12 x 2 +24x )
35x +70
-( 35x +70 )
0

es gilt also:

x 3 +14 x 2 +59x +70 = ( x 2 +12x +35 ) · ( x +2 )

( x 2 +12x +35 ) · ( x +2 ) = 0

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

1. Fall:

x 2 +12x +35 = 0

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

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

x1,2 = -12 ± 12 2 -4 · 1 · 35 21

x1,2 = -12 ± 144 -140 2

x1,2 = -12 ± 4 2

x1 = -12 + 4 2 = -12 +2 2 = -10 2 = -5

x2 = -12 - 4 2 = -12 -2 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 = 6 2 - 35 = 36 - 35 = 1

x1,2 = -6 ± 1

x1 = -6 - 1 = -7

x2 = -6 + 1 = -5


2. Fall:

x +2 = 0 | -2
x3 = -2

Polynomdivision mit -5

Polynomdivision mit -7

L={ -7 ; -5 ; -2 }

Betragsgleichungen

Beispiel:

Löse die folgende Gleichung:

- | 4x +8 | -8 = -32

Lösung einblenden
- | 4x +8 | -8 = -32 | +8
- | 4x +8 | = -24 |: ( -1 )
| 4x +8 | = 24

1. Fall: 4x +8 ≥ 0:

4x +8 = 24 | -8
4x = 16 |:4
x1 = 4

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 4x +8 ≥ 0) genügt:

44 +8 = 24 ≥ 0

Die Lösung 4 genügt also der obigen Bedingung.

2. Fall: 4x +8 < 0:

-( 4x +8 ) = 24
-4x -8 = 24 | +8
-4x = 32 |:(-4 )
x2 = -8

Eigentlich müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die Lösung(en) überhaupt der obigen Bedingung bei der Fallunterscheidung ( 4x +8 < 0) genügt:

4( -8 ) +8 = -24 < 0

Die Lösung -8 genügt also der obigen Bedingung.

L={ -8 ; 4 }

Lösungsanzahl in Abh. von Parameter

Beispiel:

Für welche Werte von t hat die Funktion ft mit ft(x)= 5 x 4 +5 t x 2 genau 1 Nullstelle?

Lösung einblenden

Wir setzen ft(x) = 0 und lösen die Gleichung einfach mal in Abhängigkeit von t:

5 x 4 +5 t x 2 = 0
5 x 2 · ( x 2 + t ) = 0

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

1. Fall:

x 2 = 0 | 2
x1 = 0

2. Fall:

x 2 + t = 0 | - ( t )
x 2 = -1 t | 2
x2 = - ( -1 t ) = - ( -t )
x3 = ( -1 t ) = ( -t )

Man erkennt schnell, dass die Wurzeln (und damit die beiden zugehörigen Lösungen) existieren, wenn t < 0 ist. Für t > 0 existieren die Wurzeln und die beiden Lösungen nicht, da etwas negatives unter der Wurzel steht.

Für t=0 fallen die beiden Lösungen mit den Wurzeln zu einer einzigen Lösung x=0 zusammen.

Für t ≥ 0 gibt es also 1 Lösung(en).