2.3 Quadratische Gleichungen

Aus Online Mathematik Brückenkurs 1

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'''Lernziele:'''
'''Lernziele:'''
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Nach diesem Abschnitt sollten Sie folgendes können:
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Nach diesem Abschnitt solltest Du folgendes können:
* Quadratische Ergänzungen für quadratische Ausdrücke ausführen.
* Quadratische Ergänzungen für quadratische Ausdrücke ausführen.
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* Quadratische Gleichungen durch quadratische Ergänzung lösen, und die Lösungen kontrollieren.
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* Quadratische Gleichungen durch quadratische Ergänzung lösen und die Lösungen kontrollieren.
*Wenn möglich, eine quadratische Gleichung faktorisieren.
*Wenn möglich, eine quadratische Gleichung faktorisieren.
* Faktorisierte, oder fast faktorisierte quadratische Gleichungen direkt lösen.
* Faktorisierte, oder fast faktorisierte quadratische Gleichungen direkt lösen.
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* Den kleinsten und höchsten Wert eines quadratischen Ausdruckes zu finden.
+
* Den kleinsten und größten Wert eines quadratischen Ausdruckes finden.
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* Parabeln zeichnen mittels der quadratische Ergänzung.
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* Parabeln zeichnen mittels quadratischer Ergänzung.
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}}
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== Quadratische Gleichungen ==
 
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Eine quadratische Gleichung kann wie
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Die Lernziele sind Dir aus der Schule noch bestens vertraut und Du weißt ganz genau, wie man die zugehörigen Rechnungen ausführt? Dann kannst Du auch gleich mit den <b>Prüfungen</b> beginnen (Du findest den Link in der Student Lounge).
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== A - Quadratische Gleichungen ==
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Eine quadratische Gleichung kann in der Form
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2+px+q=0</math>}}
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2+px+q=0</math>}}
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geschrieben werden, wo <math>x</math> unbekannt ist, und <math>p</math> und <math>q</math> Konstanten sind.
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geschrieben werden, wobei <math>x</math> unbekannt ist, und <math>p</math> und <math>q</math> Konstanten sind.
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Einfache quadratische Gleichungen kann man lösen, indem man einfach Wurzeln berechnet.
+
Einfache quadratische Gleichungen kann man lösen, indem man die Wurzeln zieht.
<div class="regel">
<div class="regel">
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Die Gleichung <math>x^2=a</math> wo <math>a > 0</math>, hat zwei Lösungen (Wurzeln), nämlich <math>x=\sqrt{a}</math> und <math>x=-\sqrt{a}</math>.
+
Die einfache quadratische Gleichung <math>x^2=a</math> mit <math>a > 0</math>, hat zwei Lösungen, nämlich <math>x=\sqrt{a} </math> und <math>x=-\sqrt{a}</math>.
</div>
</div>
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<ol type="a">
<ol type="a">
-
<li><math>x^2 = 4 \quad</math> hat die Wurzeln <math>x=\sqrt{4} = 2</math> und <math>x=-\sqrt{4}= -2</math>.</li>
+
<li><math>x^2 = 4 \quad</math> hat die Lösungen <math>x=\sqrt{4} = 2</math> und <math>x=-\sqrt{4}= -2</math>.</li>
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<li><math>2x^2=18 \quad</math> kann wie <math>x^2=9</math> geschrieben werden, und hat also die Wurzeln <math>x=\sqrt9 = 3</math> und <math>x=-\sqrt9 = -3</math>.</li>
+
<li><math>2x^2=18 \quad</math> kann man als <math>x^2=9</math> schreiben, also gibt es die Lösungen <math>x=\sqrt9 = 3</math> und <math>x=-\sqrt9 = -3</math>.</li>
-
<li><math>3x^2-15=0 \quad</math> kann wie <math>x^2=5</math> geschrieben werden, und hat also die Wurzeln <math>x=\sqrt5 \approx 2{,}236</math> und <math>x=-\sqrt5 \approx -2{,}236</math>.</li>
+
<li><math>3x^2-15=0 \quad</math> kann man als <math>x^2=5</math> schreiben, also gibt es die Lösungen <math>x=\sqrt5 \approx 2{,}236 </math> und <math>x=-\sqrt5 \approx -2{,}236</math>.</li>
-
<li><math>9x^2+25=0\quad</math> hat keine Wurzeln, nachdem die linke Seite der Gleichung immer größer als 25 is, weil <math>x^2</math> immer größer als 0 ist.
+
<li><math>9x^2+25=0\quad</math> hat keine (reelle) Lösung, weil die linke Seite der Gleichung immer größer als 25 ist (denn <math>x^2 &ge; 0</math>).<br>
 +
(Man kann diese Gleichung im Komplexen lösen und man erhält dann komplexe Lösungen.)
</ol>
</ol>
</div>
</div>
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<ol type="a">
<ol type="a">
-
<li>Lösen Sie die Gleichung <math>\ (x-1)^2 = 16</math>. <br><br>
+
<li>Löse die einfache quadratische Gleichung <math>\ (x-1)^2 = 16</math>. <br><br>
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Indem wir zuerst <math>x-1</math> betrachten, sehen wir, dass
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Wir gehen genauso vor wie in Beispiel 1a) und erhalten
-
*<math>x-1 =\sqrt{16} = 4\,</math> und also <math>x=1+4=5</math>,
+
*<math>x-1 =\sqrt{16} = 4\,</math> also <math>x=1+4=5</math>,
-
*<math>x-1 = -\sqrt{16} = -4\,</math> und also <math>x=1-4=-3</math>. </li>
+
*<math>x-1 = -\sqrt{16} = -4\,</math> also <math>x=1-4=-3</math>. </li>
-
<li> Lösen Sie die Gleichung <math>\ 2(x+1)^2 -8=0</math>. <br><br>
+
<li> Löse die Gleichung <math>\ 2(x+1)^2 -8=0</math>. <br><br>
-
Wir addieren <math>8</math> auf beiden Seiten der Gleichung, und dividieren danach durch <math>2</math>,
+
Wir addieren <math>8</math> auf beiden Seiten der Gleichung und dividieren danach durch <math>2</math>,
{{Abgesetzte Formel||<math>(x+1)^2=4 \; \mbox{.}</math>}}
{{Abgesetzte Formel||<math>(x+1)^2=4 \; \mbox{.}</math>}}
-
Die Wurzeln sind
+
Wir haben eine einfach quadratische Gleichung erhalten. Diese lösen wir, indem wir die Wurzel ziehen. Die Lösungen sind
*<math>x+1 =\sqrt{4} = 2, \quad \mbox{also} \quad x=-1+2=1\,\mbox{,}</math>
*<math>x+1 =\sqrt{4} = 2, \quad \mbox{also} \quad x=-1+2=1\,\mbox{,}</math>
*<math>x+1 = -\sqrt{4} = -2, \quad \mbox{also} \quad x=-1-2=-3\,\mbox{.}</math></li>
*<math>x+1 = -\sqrt{4} = -2, \quad \mbox{also} \quad x=-1-2=-3\,\mbox{.}</math></li>
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</div>
</div>
-
Um eine allgemeine quadratische Gleichung zu lösen, muss man quadratische Ergänzung benutzen.
+
Um eine allgemeine quadratische Gleichung zu lösen, kann man das Prinzip der quadratischen Ergänzung oder die ''p''-''q''-Formel benutzen. Wir erklären erst die quadratische Ergänzung an Beispielen und dann die ''p''-''q''-Formel. Die ''p''-''q''-Formel kann aus der quadratischen Ergänzung hergeleitet werden.
Die binomische Formel lautet
Die binomische Formel lautet
-
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2 + 2ax + a^2 = (x+a)^2</math>}}
+
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2 + 2ax + a^2 = (x+a)^2\,.</math>}}
-
und subtrahieren wir <math>a^2</math> von beiden Seiten bekommen wir
+
Subtrahieren wir <math>a^2</math> von beiden Seiten, bekommen wir
<div class="regel">
<div class="regel">
'''Quadratische Ergänzung:'''
'''Quadratische Ergänzung:'''
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2 +2ax = (x+a)^2 -a^2</math>}}
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2 +2ax = (x+a)^2 -a^2</math>}}
-
</div>
+
</div>
 +
und <math> (a+x)^2 = a^2 </math> ist eine einfache quadratische Gleichung, die wir durch Wurzelziehen lösen können.
<div class="exempel">
<div class="exempel">
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<ol type="a">
<ol type="a">
-
<li> Lösen Sie die Gleichung <math>\ x^2 +2x -8=0</math>. <br><br>
+
<li> Löse die Gleichung <math>\ x^2 +2x -8=0</math>. <br><br>
Wir benutzen die quadratische Ergänzung: <math>x^2+2x</math> (hier ist also <math>a=1</math>)
Wir benutzen die quadratische Ergänzung: <math>x^2+2x</math> (hier ist also <math>a=1</math>)
{{Abgesetzte Formel||<math>\underline{\vphantom{(}x^2+2x} -8 = \underline{(x+1)^2-1^2} -8 = (x+1)^2-9,</math>}}
{{Abgesetzte Formel||<math>\underline{\vphantom{(}x^2+2x} -8 = \underline{(x+1)^2-1^2} -8 = (x+1)^2-9,</math>}}
wo wir bei den unterstrichenen Termen die quadratische Ergänzung benutzt haben. Die Gleichung kann also wie
wo wir bei den unterstrichenen Termen die quadratische Ergänzung benutzt haben. Die Gleichung kann also wie
{{Abgesetzte Formel||<math>(x+1)^2 -9 = 0,</math>}}
{{Abgesetzte Formel||<math>(x+1)^2 -9 = 0,</math>}}
-
geschrieben werden, und diese Gleichung hat die Wurzeln
+
geschrieben werden, und diese Gleichung hat die Lösungen
*<math>x+1 =\sqrt{9} = 3\,</math>, also <math>x=-1+3=2</math>,
*<math>x+1 =\sqrt{9} = 3\,</math>, also <math>x=-1+3=2</math>,
*<math>x+1 =-\sqrt{9} = -3\,</math>, also <math>x=-1-3=-4</math>.</li>
*<math>x+1 =-\sqrt{9} = -3\,</math>, also <math>x=-1-3=-4</math>.</li>
-
<li> Lösen Sie die Gleichung <math>\ 2x^2 -2x - \frac{3}{2} = 0</math>. <br><br>
+
<li> Löse die Gleichung <math>\ 2x^2 -2x - \frac{3}{2} = 0</math>. <br><br>
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Wir dividieren zuerst beide Seiten mit 2
+
Wir dividieren zuerst beide Seiten durch 2
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2-x-\textstyle\frac{3}{4}=0\mbox{.}</math>}}
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2-x-\textstyle\frac{3}{4}=0\mbox{.}</math>}}
Jetzt benutzen wir quadratische Ergänzung auf der linken Seite (mit <math>a=-\tfrac{1}{2}</math>)
Jetzt benutzen wir quadratische Ergänzung auf der linken Seite (mit <math>a=-\tfrac{1}{2}</math>)
-
{{Abgesetzte Formel||<math>\textstyle\underline{\vphantom{\bigl(\frac{3}{4}}x^2-x} -\frac{3}{4} = \underline{\bigl(x-\frac{1}{2}\bigr)^2 - \bigl(-\frac{1}{2}\bigr)^2} -\frac{3}{4}= \bigl(x-\frac{1}{2}\bigr)^2 -1</math>}}
+
{{Abgesetzte Formel||<math>\textstyle\underline{\vphantom{\bigl(\frac{3}{4}}x^2-x} -\frac{3}{4} = \underline{\bigl(x-\frac{1}{2}\bigr)^2 - \bigl(-\frac{1}{2}\bigr)^2} -\frac{3}{4}= \bigl(x-\frac{1}{2}\bigr)^2 -1\,.</math>}}
-
und dies ergibt die Gleichung
+
Dies ergibt die Gleichung
{{Abgesetzte Formel||<math>\textstyle\bigl(x-\frac{1}{2}\bigr)^2 - 1=0\mbox{.}</math>}}
{{Abgesetzte Formel||<math>\textstyle\bigl(x-\frac{1}{2}\bigr)^2 - 1=0\mbox{.}</math>}}
-
mit den Wurzeln
+
mit den Lösungen
-
*<math>x-\tfrac{1}{2} =\sqrt{1} = 1, \quad</math>, also <math>\quad x=\tfrac{1}{2}+1=\tfrac{3}{2}</math>,
+
*<math>x-\tfrac{1}{2} =\sqrt{1} = 1, \quad</math> also <math>\quad x=\tfrac{1}{2}+1=\tfrac{3}{2}</math>,
-
*<math>x-\tfrac{1}{2}= -\sqrt{1} = -1, \quad</math>, also <math>\quad x=\tfrac{1}{2}-1= -\tfrac{1}{2}</math>.</li>
+
*<math>x-\tfrac{1}{2}= -\sqrt{1} = -1, \quad</math> also <math>\quad x=\tfrac{1}{2}-1= -\tfrac{1}{2}</math>.</li>
</ol>
</ol>
</div>
</div>
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'''Hinweis: '''
'''Hinweis: '''
-
Wir können unsere Lösungen immer kontrollieren, indem wir sie in der ursprünglichen Gleichung einsetzen. Im Beispiel 3a oben, haben wir zwei Lösungen zu kontrollieren:
+
Für jede gefundene Lösung können wir die Probe machen, indem wir die gefundene Lösung in die ursprüngliche Gleichung einsetzen. Im Beispiel 3a oben, haben wir zwei Lösungen zu prüfen:
* <math>x = 2</math> ergibt <math>\mbox{Linke Seite} = 2^2 +2\cdot 2 - 8 = 4+4-8 = 0 = \mbox{Rechte Seite}</math>.
* <math>x = 2</math> ergibt <math>\mbox{Linke Seite} = 2^2 +2\cdot 2 - 8 = 4+4-8 = 0 = \mbox{Rechte Seite}</math>.
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</div>
</div>
-
Mit der quadratischen Ergänzung kann man eine generelle Lösungsformel für quadratische Gleichungen herleiten
+
 
 +
<div class="regel">
 +
'''Herleitung der ''p''-''q''-Formel aus der quadratischen Ergänzung'''
 +
</div>
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 +
 
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Mit der quadratischen Ergänzung kann man eine generelle Lösungsformel für quadratische Gleichungen herleiten.
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2+px+q=0</math>}}
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2+px+q=0</math>}}
-
hat die Lösungen
+
hat die (rellen) Lösungen
-
{{Abgesetzte Formel||<math>x = - \displaystyle\frac{p}{2} \pm \sqrt{\left(\frac{p}{2}\right)^2-q}</math>}}
+
{{Abgesetzte Formel||<math>x = - \displaystyle\frac{p}{2} \pm \sqrt{\left(\frac{p}{2}\right)^2-q}\,,</math>}}
-
so lange die Ausdrücke in der Wurzel nicht negativ sind.
+
solange der Ausdruck in der Wurzel nicht negativ ist.
 +
 
 +
Wir benutzen die quadratische Ergänzung mit <math> a = \frac{p}{2} </math>
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{{Abgesetzte Formel||<math>x^2+px+q {\,\,} = {\,\,} x^2 + 2 \frac{p}{2} x + \left( \frac{p}{2} \right)^2 - \left( \frac{p}{2} \right)^2 + q {\,} = {\,} \left(x + \frac{p}{2} \right)^2 - \left( \frac{p}{2} \right)^2 + q </math>}}
 +
 
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Damit hat die allgemeine quadratische Gleichung <math> x^2 + px +q = 0 </math> die selben Lösungen wie die einfache quadratische Gleichung <math> \left(x + \frac{p}{2} \right)^2 = \left( \frac{p}{2} \right)^2 - q </math>.
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 +
Die einfache quadratische Gleichung lösen wir durch das Ziehen der Wurzel.
 +
 
 +
Wir erhalten die beiden Lösungen
 +
<math> x + \frac{p}{2} = \sqrt{ \left( \frac{p}{2} \right)^2 - q} </math> und
 +
<math> x + \frac{p}{2} = - \sqrt{ \left( \frac{p}{2} \right)^2 - q} </math>
 +
 
 +
Und damit hat man die ''p''-''q''-Formel.
 +
 
 +
 
In manchen Fällen kann man eine quadratische Gleichung einfach faktorisieren, um die Lösungen zu erhalten.
In manchen Fällen kann man eine quadratische Gleichung einfach faktorisieren, um die Lösungen zu erhalten.
Zeile 127: Zeile 154:
<ol type="a">
<ol type="a">
-
<li>Lösen Sie die Gleichung <math>\ x^2-4x=0</math>. <br><br>
+
<li>Löse die Gleichung <math>\ x^2-4x=0</math>. <br><br>
-
Wir können die linke Seite faktorisieren, nachdem der Faktor <math>x</math> in allen Termen auftritt
+
Wir können die linke Seite faktorisieren, weil der Faktor <math>x</math> in allen Termen auftritt. Nach Anwendung des Distributivgesetzes
:<math>x(x-4)=0</math>.
:<math>x(x-4)=0</math>.
-
Die linke Seite der Gleichung ist null nur dann, wenn einer ihrer Faktoren null ist.
+
Die linke Seite der Gleichung ist nur dann null, wenn einer ihrer Faktoren null ist.
*<math>x =0,\quad</math> oder
*<math>x =0,\quad</math> oder
*<math>x-4=0\quad</math>. Dies ergibt die Lösungen <math>\quad x=4</math>.</li>
*<math>x-4=0\quad</math>. Dies ergibt die Lösungen <math>\quad x=4</math>.</li>
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</div>
</div>
-
 
+
== B - Quadratische Funktionen ==
-
== Quadratische Funktionen ==
+
Die Funktionen
Die Funktionen
{{Abgesetzte Formel||<math>\eqalign{y&=x^2-2x+5\cr y&=4-3x^2\cr y&=\textstyle\frac{1}{5}x^2 +3x}</math>}}
{{Abgesetzte Formel||<math>\eqalign{y&=x^2-2x+5\cr y&=4-3x^2\cr y&=\textstyle\frac{1}{5}x^2 +3x}</math>}}
sind Beispiele von quadratischen Funktionen. Die allgemeine Formel für eine quadratische Funktion ist
sind Beispiele von quadratischen Funktionen. Die allgemeine Formel für eine quadratische Funktion ist
-
{{Abgesetzte Formel||<math>y=ax^2+bx+c</math>}}
+
{{Abgesetzte Formel||<math>y=ax^2+bx+c\,,</math>}}
-
wo <math>a</math>, <math>b</math> und <math>c</math> Konstanten sind, und <math>a\ne0</math>.
+
wobei <math>a</math>, <math>b</math> und <math>c</math> Konstanten sind und <math>a\ne0</math>.
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Der Funktionsgraph einer quadratischen Funktion ist eine Parabel. Folgende Figuren zeigen zwei typische Parabeln, die Graphen von <math>y=x^2</math> und <math>y=-x^2</math>.
+
Andere Schreibweisen für diese Funktionen sind <math> f(x) = ax^2 + bx +c </math> oder <math> x \mapsto ax^2 + bx +c </math>.
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Der Funktionsgraph einer quadratischen Funktion ist eine Parabel. Folgende Zeichnungen zeigen zwei typische Parabeln, die Graphen von <math>y=x^2</math> und <math>y=-x^2</math>.
<center>{{:2.3 - Bild - Die Parabeln y = x² und y = -x²}}</center>
<center>{{:2.3 - Bild - Die Parabeln y = x² und y = -x²}}</center>
-
<center><small>Die linke Figur zeigt die Parabel <math>y=x^2</math> und die rechte Figur zeigt die Parabel <math>y=-x^2</math>.</small></center>
+
<center><small>Die linke Zeichnung zeigt die Parabel <math>y=x^2</math> und die rechte Zeichnung zeigt die Parabel <math>y=-x^2</math>.</small></center>
-
Nachdem der <math>x^2</math>-Term minimal ist wenn <math>x=0</math>, hat die Parabel <math>y=x^2</math> ein Minimum in <math>x=0</math>, und die Parabel <math>y=-x^2</math> hat ein Maximum in <math>x=0</math>.
+
Weil der <math>x^2</math>-Term minimal ist, wenn <math>x=0</math>, hat die Parabel <math>y=x^2</math> ein Minimum in <math>x=0</math> und die Parabel <math>y=-x^2</math> hat ein Maximum in <math>x=0</math>.
-
Die beiden Parabeln oben sind auch symmetrisch um die <math>y</math>-Achse, nachdem der Wert von <math>x^2</math> derselbe ist, egal ob <math>x</math> positiv oder negativ ist.
+
Jede der beiden Parabeln oben ist symmetrisch bezüglich der <math>y</math>-Achse, weil der Wert von <math>x^2</math> derselbe ist, egal ob <math>x</math> positiv oder negativ ist.
<div class="exempel">
<div class="exempel">
Zeile 160: Zeile 188:
{| width="100%"
{| width="100%"
||<ol type="a">
||<ol type="a">
-
<li>Zeichnen Sie die Parabel <math>\ y=x^2-2</math>. <br><br>
+
<li>Zeichne die Parabel <math>\ y=x^2-2</math>. <br><br>
-
Im Vergleich zur Parabel <math>y=x^2</math> hat diese Parabel(<math>y=x^2-2</math>) einen <math>y</math>-Wert der 2 Einheiten kleiner ist. Also schieben wir die Parabel <math>y=x^2</math> einfach zwei Einheiten herunter.
+
Im Vergleich zur Parabel <math>y=x^2</math> hat diese Parabel(<math>y=x^2-2</math>) einen <math>y</math>-Wert, der 2 Einheiten kleiner ist. Also schieben wir die Parabel <math>y=x^2</math> einfach zwei Einheiten herunter.</li>
-
<math>y</math>-direction.</li>
+
</ol>
</ol>
|align="right"|{{:2.3 - Bild - Die Parabel y = x² - 2}}
|align="right"|{{:2.3 - Bild - Die Parabel y = x² - 2}}
Zeile 169: Zeile 196:
{| width="100%"
{| width="100%"
||<ol type="a" start=2>
||<ol type="a" start=2>
-
<li> Zeichnen Sie die Parabel <math>\ y=(x-2)^2</math>. <br><br>
+
<li> Zeichne die Parabel <math>\ y=(x-2)^2</math>. <br><br>
-
Für die Parabel <math>y=(x-2)^2</math> müssen wir den <math>x</math>-Wert um zwei Einheiten weniger wählen als für die Parabel <math>y=x^2</math>, um denselben <math>y</math>-Wert zu bekommen. Also ist die Parabel <math>y=(x-2)^2</math>, die Parabel <math>y=x^2</math> zwei Einheiten nach rechts verschoben.</li>
+
Für die Parabel <math>y=(x-2)^2</math> müssen wir den <math>x</math>-Wert um zwei Einheiten größer wählen als für die Parabel <math>y=x^2</math>, um denselben <math>y</math>-Wert zu bekommen. Also ist die Parabel <math>y=(x-2)^2</math>, die Parabel <math>y=x^2</math> zwei Einheiten nach rechts verschoben.</li>
</ol>
</ol>
|align="right"|{{:2.3 - Bild - Die Parabel y = (x - 2)²}}
|align="right"|{{:2.3 - Bild - Die Parabel y = (x - 2)²}}
Zeile 177: Zeile 204:
{| width="100%"
{| width="100%"
||<ol type="a" start=3>
||<ol type="a" start=3>
-
<li> Zeichnen Sie die Parabel <math>\ y=2x^2</math>. <br><br>
+
<li> Zeichne die Parabel <math>\ y=2x^2</math>. <br><br>
Jeder Punkt auf der Parabel <math>y=2x^2</math> hat für denselben <math>x</math>-Wert einen zwei Mal so großen <math>y</math>-Wert als die Parabel <math>y=x^2</math>. Also müssen wir die Parabel <math>y=x^2</math> um einen Faktor <math>2</math> in der <math>y</math>-Richtung vergrößern, um die Parabel <math>y=2x^2</math> zu bekommen.
Jeder Punkt auf der Parabel <math>y=2x^2</math> hat für denselben <math>x</math>-Wert einen zwei Mal so großen <math>y</math>-Wert als die Parabel <math>y=x^2</math>. Also müssen wir die Parabel <math>y=x^2</math> um einen Faktor <math>2</math> in der <math>y</math>-Richtung vergrößern, um die Parabel <math>y=2x^2</math> zu bekommen.
</ol>
</ol>
Zeile 189: Zeile 216:
{| width="100%"
{| width="100%"
-
||Zeichnen Sie die Parabel <math>\ y=x^2+2x+2</math>.
+
||Zeichne die Parabel <math>\ y=x^2+2x+2</math>.
-
Wenn wir die linke Seite der Gleichung mit der quadratischer Ergänzung umschreiben, bekommen wir
+
Wenn wir die rechte Seite der Gleichung mit der quadratischer Ergänzung umschreiben, bekommen wir
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2 +2x+2 = (x+1)^2 -1^2 +2 = (x+1)^2+1</math>}}
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2 +2x+2 = (x+1)^2 -1^2 +2 = (x+1)^2+1</math>}}
-
und sehen dass die Parabel <math>y= (x+1)^2+1</math> um eine Einheit nach links, und um eine Einheit nach oben verschoben ist, im Vergleich zur Parabel <math>y=x^2</math>.
+
und sehen, dass die Parabel <math>y= (x+1)^2+1</math> um eine Einheit nach links und um eine Einheit nach oben verschoben ist, im Vergleich zur Parabel <math>y=x^2</math>.
||{{:2.3 - Bild - Die Parabel y = x² + 2x + 2}}
||{{:2.3 - Bild - Die Parabel y = x² + 2x + 2}}
|}
|}
Zeile 202: Zeile 229:
''' Beispiel 7'''
''' Beispiel 7'''
-
Bestimmen Sie den Schnittpunkt der Parabel <math>\,y=x^2-4x+3\,</math> mit der <math>x</math>-Achse.
+
Bestimme den Schnittpunkt der Parabel <math>\,y=x^2-4x+3\,</math> mit der <math>x</math>-Achse.
-
Alle Punkte auf der <math>x</math>-Achse haben den <math>y</math>-Koordinaten 0. Die Punkte, die auf der Parabel und auch auf der <math>x</math>-Achse liegen, haben also den <math>y</math>-Koordinaten 0, und erfüllen also die Gleichung
+
Alle Punkte auf der <math>x</math>-Achse haben den <math>y</math>-Koordinaten 0. Die Punkte, die auf der Parabel und auch auf der <math>x</math>-Achse liegen, haben also die <math>y</math>-Koordinate 0 und erfüllen die Gleichung
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2-4x+3=0\mbox{.}</math>}}
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2-4x+3=0\mbox{.}</math>}}
-
quadratische Ergänzung gibt
+
Die quadratische Ergänzung ergibt
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2-4x+3=(x-2)^2-2^2+3=(x-2)^2-1</math>}}
{{Abgesetzte Formel||<math>x^2-4x+3=(x-2)^2-2^2+3=(x-2)^2-1</math>}}
und schließlich
und schließlich
{{Abgesetzte Formel||<math>(x-2)^2= 1 \; \mbox{.}</math>}}
{{Abgesetzte Formel||<math>(x-2)^2= 1 \; \mbox{.}</math>}}
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Wir erhalten die Wurzeln
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Wir ziehen die Wurzel und erhalten die Lösungen
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*<math>x-2 =\sqrt{1} = 1,\quad</math>, also <math>\quad x=2+1=3</math>,
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*<math>x-2 =\sqrt{1} = 1,\quad</math> also <math>\quad x=2+1=3</math>,
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*<math>x-2 = -\sqrt{1} = -1,\quad</math>, also <math>\quad x=2-1=1</math>.
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*<math>x-2 = -\sqrt{1} = -1,\quad</math> also <math>\quad x=2-1=1</math>.
Die Schnittpunkte der <math>x</math>-Achse mit der Parabel <math>\,y=x^2-4x+3\,</math> sind <math>(1,0)</math> und <math>(3,0)</math>.
Die Schnittpunkte der <math>x</math>-Achse mit der Parabel <math>\,y=x^2-4x+3\,</math> sind <math>(1,0)</math> und <math>(3,0)</math>.
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''' Beispiel 8'''
''' Beispiel 8'''
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Bestimmen Sie den kleinsten Wert des Ausdruckes <math>\,x^2+8x+19\,</math>.
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Bestimme den kleinsten Wert des Ausdruckes <math>\,x^2+8x+19\,</math>.
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und sehen hier, dass der Ausdruck immer gleich oder größer als 3 ist, nachdem die Quadrate <math>(x+4)^2</math> immer größer oder gleich 0 ist.
und sehen hier, dass der Ausdruck immer gleich oder größer als 3 ist, nachdem die Quadrate <math>(x+4)^2</math> immer größer oder gleich 0 ist.
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In der Figur unten sehen wir, dass die Parabel <math>y=x^2+8x+19</math> oberhalb der <math>x</math>-Achse liegt, und den kleinsten Wert 3 hat, wenn <math>x=-4</math>.
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In der Zeichnung unten sehen wir, dass die Parabel <math>y=x^2+8x+19</math> oberhalb der <math>x</math>-Achse liegt und den kleinsten Wert 3 hat, wenn <math>x=-4</math>.
<center>{{:2.3 - Bild - Die Parabel y = x² + 8x + 19}}</center>
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Noch Fragen zu diesem Kapitel? Dann schau nach im Kursforum (Du findest den Link in der Student Lounge) oder frag nach per Skype bei ombTutor <skype style="call" action="call">ombTutor</skype> <skype style="chat" action="chat">ombTutor</skype>
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'''Diagnostische Prüfung und Schlussprüfung'''
'''Diagnostische Prüfung und Schlussprüfung'''
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Nachdem Sie mit der Theorie fertig sind, sollten Sie die diagnostische Prüfung und die Schlussprüfung machen. Sie finden die Links zu den Prüfungen in Ihrer "Student Lounge".
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Nachdem Du mit der Theorie und den Übungen fertig bist, solltest Du die diagnostische Prüfung und die Schlussprüfung machen. Du findest die Links zu den Prüfungen in Deiner "Student Lounge".
'''Bedenken Sie folgendes: '''
'''Bedenken Sie folgendes: '''
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Nehmen Sie sich viel Zeit, um Algebra ordentlich zu lernen. Algebra ist das Alphabet der Mathematik, und kommt überall sonst in der Mathematik vor.
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Nimm dir viel Zeit, um Algebra ordentlich zu lernen. Algebra ist das Alphabet der Mathematik, und kommt überall sonst in der Mathematik vor.
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'''Reviews'''
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'''Literaturhinweise'''
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Für die, die sich weiter mit der Materie beschäftigen wollen, sind hier einige Links angeführt:
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For those of you who want to deepen your studies or need more detailed explanations consider the following references
 
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[http://en.wikipedia.org/wiki/Quadratic_equation Learn more about quadratic equations in the English Wikipedia ]
+
[http://de.wikipedia.org/wiki/Quadratische_Gleichung Mehr über Quadratische Gleichungen in der Wikipedia ]
-
[http://mathworld.wolfram.com/QuadraticEquation.html Learn more about quadratic equations in mathworld ]
+
[http://mathworld.wolfram.com/QuadraticEquation.html Mehr über quadratische Gleichungen auf mathworld (engl.)]
-
[http://plus.maths.org/issue29/features/quadratic/index-gifd.html 101 uses of a quadratic equation - by Chris Budd and Chris Sangwin]
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[http://plus.maths.org/issue29/features/quadratic/index-gifd.html 101 uses of a quadratic equation - von Chris Budd und Chris Sangwin (engl.)]
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'''Nützliche Websites'''
 
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Aktuelle Version

       Theorie          Übungen      

Inhalt:

  • Quadratische Ergänzung
  • Quadratische Funktionen
  • Faktorisierung
  • Parabeln

Lernziele:

Nach diesem Abschnitt solltest Du folgendes können:

  • Quadratische Ergänzungen für quadratische Ausdrücke ausführen.
  • Quadratische Gleichungen durch quadratische Ergänzung lösen und die Lösungen kontrollieren.
  • Wenn möglich, eine quadratische Gleichung faktorisieren.
  • Faktorisierte, oder fast faktorisierte quadratische Gleichungen direkt lösen.
  • Den kleinsten und größten Wert eines quadratischen Ausdruckes finden.
  • Parabeln zeichnen mittels quadratischer Ergänzung.


Die Lernziele sind Dir aus der Schule noch bestens vertraut und Du weißt ganz genau, wie man die zugehörigen Rechnungen ausführt? Dann kannst Du auch gleich mit den Prüfungen beginnen (Du findest den Link in der Student Lounge).

A - Quadratische Gleichungen

Eine quadratische Gleichung kann in der Form

\displaystyle x^2+px+q=0

geschrieben werden, wobei \displaystyle x unbekannt ist, und \displaystyle p und \displaystyle q Konstanten sind.

Einfache quadratische Gleichungen kann man lösen, indem man die Wurzeln zieht.

Die einfache quadratische Gleichung \displaystyle x^2=a mit \displaystyle a > 0, hat zwei Lösungen, nämlich \displaystyle x=\sqrt{a} und \displaystyle x=-\sqrt{a}.

Beispiel 1

  1. \displaystyle x^2 = 4 \quad hat die Lösungen \displaystyle x=\sqrt{4} = 2 und \displaystyle x=-\sqrt{4}= -2.
  2. \displaystyle 2x^2=18 \quad kann man als \displaystyle x^2=9 schreiben, also gibt es die Lösungen \displaystyle x=\sqrt9 = 3 und \displaystyle x=-\sqrt9 = -3.
  3. \displaystyle 3x^2-15=0 \quad kann man als \displaystyle x^2=5 schreiben, also gibt es die Lösungen \displaystyle x=\sqrt5 \approx 2{,}236 und \displaystyle x=-\sqrt5 \approx -2{,}236.
  4. \displaystyle 9x^2+25=0\quad hat keine (reelle) Lösung, weil die linke Seite der Gleichung immer größer als 25 ist (denn \displaystyle x^2 ≥ 0).
    (Man kann diese Gleichung im Komplexen lösen und man erhält dann komplexe Lösungen.)

Beispiel 2

  1. Löse die einfache quadratische Gleichung \displaystyle \ (x-1)^2 = 16.

    Wir gehen genauso vor wie in Beispiel 1a) und erhalten
    • \displaystyle x-1 =\sqrt{16} = 4\, also \displaystyle x=1+4=5,
    • \displaystyle x-1 = -\sqrt{16} = -4\, also \displaystyle x=1-4=-3.
  2. Löse die Gleichung \displaystyle \ 2(x+1)^2 -8=0.

    Wir addieren \displaystyle 8 auf beiden Seiten der Gleichung und dividieren danach durch \displaystyle 2,
    \displaystyle (x+1)^2=4 \; \mbox{.}

    Wir haben eine einfach quadratische Gleichung erhalten. Diese lösen wir, indem wir die Wurzel ziehen. Die Lösungen sind

    • \displaystyle x+1 =\sqrt{4} = 2, \quad \mbox{also} \quad x=-1+2=1\,\mbox{,}
    • \displaystyle x+1 = -\sqrt{4} = -2, \quad \mbox{also} \quad x=-1-2=-3\,\mbox{.}

Um eine allgemeine quadratische Gleichung zu lösen, kann man das Prinzip der quadratischen Ergänzung oder die p-q-Formel benutzen. Wir erklären erst die quadratische Ergänzung an Beispielen und dann die p-q-Formel. Die p-q-Formel kann aus der quadratischen Ergänzung hergeleitet werden.

Die binomische Formel lautet

\displaystyle x^2 + 2ax + a^2 = (x+a)^2\,.

Subtrahieren wir \displaystyle a^2 von beiden Seiten, bekommen wir

Quadratische Ergänzung:

\displaystyle x^2 +2ax = (x+a)^2 -a^2

und \displaystyle (a+x)^2 = a^2 ist eine einfache quadratische Gleichung, die wir durch Wurzelziehen lösen können.

Beispiel 3

  1. Löse die Gleichung \displaystyle \ x^2 +2x -8=0.

    Wir benutzen die quadratische Ergänzung: \displaystyle x^2+2x (hier ist also \displaystyle a=1)
    \displaystyle \underline{\vphantom{(}x^2+2x} -8 = \underline{(x+1)^2-1^2} -8 = (x+1)^2-9,

    wo wir bei den unterstrichenen Termen die quadratische Ergänzung benutzt haben. Die Gleichung kann also wie

    \displaystyle (x+1)^2 -9 = 0,

    geschrieben werden, und diese Gleichung hat die Lösungen

    • \displaystyle x+1 =\sqrt{9} = 3\,, also \displaystyle x=-1+3=2,
    • \displaystyle x+1 =-\sqrt{9} = -3\,, also \displaystyle x=-1-3=-4.
  2. Löse die Gleichung \displaystyle \ 2x^2 -2x - \frac{3}{2} = 0.

    Wir dividieren zuerst beide Seiten durch 2
    \displaystyle x^2-x-\textstyle\frac{3}{4}=0\mbox{.}

    Jetzt benutzen wir quadratische Ergänzung auf der linken Seite (mit \displaystyle a=-\tfrac{1}{2})

    \displaystyle \textstyle\underline{\vphantom{\bigl(\frac{3}{4}}x^2-x} -\frac{3}{4} = \underline{\bigl(x-\frac{1}{2}\bigr)^2 - \bigl(-\frac{1}{2}\bigr)^2} -\frac{3}{4}= \bigl(x-\frac{1}{2}\bigr)^2 -1\,.

    Dies ergibt die Gleichung

    \displaystyle \textstyle\bigl(x-\frac{1}{2}\bigr)^2 - 1=0\mbox{.}

    mit den Lösungen

    • \displaystyle x-\tfrac{1}{2} =\sqrt{1} = 1, \quad also \displaystyle \quad x=\tfrac{1}{2}+1=\tfrac{3}{2},
    • \displaystyle x-\tfrac{1}{2}= -\sqrt{1} = -1, \quad also \displaystyle \quad x=\tfrac{1}{2}-1= -\tfrac{1}{2}.

Hinweis:

Für jede gefundene Lösung können wir die Probe machen, indem wir die gefundene Lösung in die ursprüngliche Gleichung einsetzen. Im Beispiel 3a oben, haben wir zwei Lösungen zu prüfen:

  • \displaystyle x = 2 ergibt \displaystyle \mbox{Linke Seite} = 2^2 +2\cdot 2 - 8 = 4+4-8 = 0 = \mbox{Rechte Seite}.
  • \displaystyle x = -4 ergibt \displaystyle \mbox{Linke Seite} = (-4)^2 + 2\cdot(-4) -8 = 16-8-8 = 0 = \mbox{Rechte Seite}.

In beide Fällen erhalten wir linke Seite = rechte Seite. Also sind unsere Lösungen richtig.


Herleitung der p-q-Formel aus der quadratischen Ergänzung


Mit der quadratischen Ergänzung kann man eine generelle Lösungsformel für quadratische Gleichungen herleiten.

\displaystyle x^2+px+q=0

hat die (rellen) Lösungen

\displaystyle x = - \displaystyle\frac{p}{2} \pm \sqrt{\left(\frac{p}{2}\right)^2-q}\,,

solange der Ausdruck in der Wurzel nicht negativ ist.

Wir benutzen die quadratische Ergänzung mit \displaystyle a = \frac{p}{2}

\displaystyle x^2+px+q {\,\,} = {\,\,} x^2 + 2 \frac{p}{2} x + \left( \frac{p}{2} \right)^2 - \left( \frac{p}{2} \right)^2 + q {\,} = {\,} \left(x + \frac{p}{2} \right)^2 - \left( \frac{p}{2} \right)^2 + q


Damit hat die allgemeine quadratische Gleichung \displaystyle x^2 + px +q = 0 die selben Lösungen wie die einfache quadratische Gleichung \displaystyle \left(x + \frac{p}{2} \right)^2 = \left( \frac{p}{2} \right)^2 - q .

Die einfache quadratische Gleichung lösen wir durch das Ziehen der Wurzel.

Wir erhalten die beiden Lösungen \displaystyle x + \frac{p}{2} = \sqrt{ \left( \frac{p}{2} \right)^2 - q} und \displaystyle x + \frac{p}{2} = - \sqrt{ \left( \frac{p}{2} \right)^2 - q}

Und damit hat man die p-q-Formel.


In manchen Fällen kann man eine quadratische Gleichung einfach faktorisieren, um die Lösungen zu erhalten.

Beispiel 4

  1. Löse die Gleichung \displaystyle \ x^2-4x=0.

    Wir können die linke Seite faktorisieren, weil der Faktor \displaystyle x in allen Termen auftritt. Nach Anwendung des Distributivgesetzes
    \displaystyle x(x-4)=0.
    Die linke Seite der Gleichung ist nur dann null, wenn einer ihrer Faktoren null ist.
    • \displaystyle x =0,\quad oder
    • \displaystyle x-4=0\quad. Dies ergibt die Lösungen \displaystyle \quad x=4.

B - Quadratische Funktionen

Die Funktionen

\displaystyle \eqalign{y&=x^2-2x+5\cr y&=4-3x^2\cr y&=\textstyle\frac{1}{5}x^2 +3x}

sind Beispiele von quadratischen Funktionen. Die allgemeine Formel für eine quadratische Funktion ist

\displaystyle y=ax^2+bx+c\,,

wobei \displaystyle a, \displaystyle b und \displaystyle c Konstanten sind und \displaystyle a\ne0.

Andere Schreibweisen für diese Funktionen sind \displaystyle f(x) = ax^2 + bx +c oder \displaystyle x \mapsto ax^2 + bx +c .

Der Funktionsgraph einer quadratischen Funktion ist eine Parabel. Folgende Zeichnungen zeigen zwei typische Parabeln, die Graphen von \displaystyle y=x^2 und \displaystyle y=-x^2.

[Image]

Die linke Zeichnung zeigt die Parabel \displaystyle y=x^2 und die rechte Zeichnung zeigt die Parabel \displaystyle y=-x^2.


Weil der \displaystyle x^2-Term minimal ist, wenn \displaystyle x=0, hat die Parabel \displaystyle y=x^2 ein Minimum in \displaystyle x=0 und die Parabel \displaystyle y=-x^2 hat ein Maximum in \displaystyle x=0.

Jede der beiden Parabeln oben ist symmetrisch bezüglich der \displaystyle y-Achse, weil der Wert von \displaystyle x^2 derselbe ist, egal ob \displaystyle x positiv oder negativ ist.

Beispiel 5

  1. Zeichne die Parabel \displaystyle \ y=x^2-2.

    Im Vergleich zur Parabel \displaystyle y=x^2 hat diese Parabel(\displaystyle y=x^2-2) einen \displaystyle y-Wert, der 2 Einheiten kleiner ist. Also schieben wir die Parabel \displaystyle y=x^2 einfach zwei Einheiten herunter.

[Image]

  1. Zeichne die Parabel \displaystyle \ y=(x-2)^2.

    Für die Parabel \displaystyle y=(x-2)^2 müssen wir den \displaystyle x-Wert um zwei Einheiten größer wählen als für die Parabel \displaystyle y=x^2, um denselben \displaystyle y-Wert zu bekommen. Also ist die Parabel \displaystyle y=(x-2)^2, die Parabel \displaystyle y=x^2 zwei Einheiten nach rechts verschoben.

[Image]

  1. Zeichne die Parabel \displaystyle \ y=2x^2.

    Jeder Punkt auf der Parabel \displaystyle y=2x^2 hat für denselben \displaystyle x-Wert einen zwei Mal so großen \displaystyle y-Wert als die Parabel \displaystyle y=x^2. Also müssen wir die Parabel \displaystyle y=x^2 um einen Faktor \displaystyle 2 in der \displaystyle y-Richtung vergrößern, um die Parabel \displaystyle y=2x^2 zu bekommen.

[Image]

Eine allgemeine Parabel kann einfach gezeichnet werden, indem man die quadratische Ergänzung verwendet.

Beispiel 6

Zeichne die Parabel \displaystyle \ y=x^2+2x+2.


Wenn wir die rechte Seite der Gleichung mit der quadratischer Ergänzung umschreiben, bekommen wir

\displaystyle x^2 +2x+2 = (x+1)^2 -1^2 +2 = (x+1)^2+1

und sehen, dass die Parabel \displaystyle y= (x+1)^2+1 um eine Einheit nach links und um eine Einheit nach oben verschoben ist, im Vergleich zur Parabel \displaystyle y=x^2.

[Image]

Beispiel 7

Bestimme den Schnittpunkt der Parabel \displaystyle \,y=x^2-4x+3\, mit der \displaystyle x-Achse.


Alle Punkte auf der \displaystyle x-Achse haben den \displaystyle y-Koordinaten 0. Die Punkte, die auf der Parabel und auch auf der \displaystyle x-Achse liegen, haben also die \displaystyle y-Koordinate 0 und erfüllen die Gleichung

\displaystyle x^2-4x+3=0\mbox{.}

Die quadratische Ergänzung ergibt

\displaystyle x^2-4x+3=(x-2)^2-2^2+3=(x-2)^2-1

und schließlich

\displaystyle (x-2)^2= 1 \; \mbox{.}

Wir ziehen die Wurzel und erhalten die Lösungen

  • \displaystyle x-2 =\sqrt{1} = 1,\quad also \displaystyle \quad x=2+1=3,
  • \displaystyle x-2 = -\sqrt{1} = -1,\quad also \displaystyle \quad x=2-1=1.

Die Schnittpunkte der \displaystyle x-Achse mit der Parabel \displaystyle \,y=x^2-4x+3\, sind \displaystyle (1,0) und \displaystyle (3,0).

[Image]

Beispiel 8

Bestimme den kleinsten Wert des Ausdruckes \displaystyle \,x^2+8x+19\,.


Wir verwenden die quadratische Ergänzung

\displaystyle x^2 +8x+19=(x+4)^2 -4^2 +19 = (x+4)^2 +3

und sehen hier, dass der Ausdruck immer gleich oder größer als 3 ist, nachdem die Quadrate \displaystyle (x+4)^2 immer größer oder gleich 0 ist.

In der Zeichnung unten sehen wir, dass die Parabel \displaystyle y=x^2+8x+19 oberhalb der \displaystyle x-Achse liegt und den kleinsten Wert 3 hat, wenn \displaystyle x=-4.

[Image]



Noch Fragen zu diesem Kapitel? Dann schau nach im Kursforum (Du findest den Link in der Student Lounge) oder frag nach per Skype bei ombTutor My status My status

Keine Fragen mehr? Dann mache weiter mit den Übungen .


Tipps fürs Lernen

Diagnostische Prüfung und Schlussprüfung


Nachdem Du mit der Theorie und den Übungen fertig bist, solltest Du die diagnostische Prüfung und die Schlussprüfung machen. Du findest die Links zu den Prüfungen in Deiner "Student Lounge".

Bedenken Sie folgendes:

Nimm dir viel Zeit, um Algebra ordentlich zu lernen. Algebra ist das Alphabet der Mathematik, und kommt überall sonst in der Mathematik vor.


Literaturhinweise Für die, die sich weiter mit der Materie beschäftigen wollen, sind hier einige Links angeführt:


Mehr über Quadratische Gleichungen in der Wikipedia

Mehr über quadratische Gleichungen auf mathworld (engl.)

101 uses of a quadratic equation - von Chris Budd und Chris Sangwin (engl.)


Von „http://wiki.sommarmatte.se/wikis/2009/bridgecourse1-TU-Berlin/index.php/2.3_Quadratische_Gleichungen“