Pflichtteil

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Ableitung
1. Bilden Sie die Ableitung der Funktion $f$ mit $f(x)=(2-\cos(x))^3.$
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Kettenregel
  Es handelt sich bei $f(x)$ um eine verkettete Funktion.
  Zerlege die Funktion $f(x)$ , sodass die Kettenregel angewendet werden kann. Die äußere Funktion ist eine Potenzfunktion $g(x)=x^3$ und die innere Funktion ist die Funktion $h(x)=2-\cos(x)$ .
  Es gilt also: $f(x)=g(h(x))$
  Berechne die einzelnen Ableitungen:
  $g'(x)=3\cdot x^2$ und $h'(x)=\sin(x)$
  Setze in die Formel der Kettenregel ein: $f'(x)=g'(h(x))\cdot h'(x)$
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2. Bilden Sie die Ableitung der Funktion $f$ mit $f(x) = (x²- 3)\cdot \sin(3x).$
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Produktregel
  Es handelt sich bei $f(x)$ um ein Produkt.
  Bringe $f(x)$ in die Form $f(x)=u(x)\cdot v(x)$ .
  Dazu setzt du $u(x)=x^2-3$ und $v(x)=\sin(3x)$ .
  Die Ableitung von $u(x)$ lautet: $u'(x)=2x$
  Beachte, dass es sich bei $v(x)$ um eine verkettete Funktion handelt. Hier muss bei der Ableitung die Kettenregel beachtet werden.
  Die äußere Funktion ist dabei $g(x)=\sin(x)$ und die innere Funktion ist die Funktion $h(x)=3x$ . Es gilt also: $v(x)=g(h(x))$
  Berechne die einzelnen Ableitungen:
  $g'(x)=\cos(x)$ und $h'(x)=3$
  Setze alles in die Formel der Kettenregel ein: $v'(x)=g'(h(x))\cdot h'(x)$
  $v'(x)=\cos(3x) \cdot 3$
  Setze nun alles in die Formel für die Produktregel ein:
  $f'(x)=(u(x)⋅v(x))'=u'(x)⋅v(x)+u(x)⋅v'(x)$
  $f'(x)=2x\cdot \sin(3x)+(x^2-3) \cdot \cos(3x) \cdot 3$
  Anders sortiert:
  
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3. Bilden Sie die Ableitung der Funktion $f$ mit $f(x)=(3-e^{-2x})^3$
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Kettenregel
  Es handelt sich bei $f(x)$ um eine verkettete Funktion.
  Zerlege die Funktion $f(x)$ , sodass die Kettenregel angewendet werden kann. Die äußere Funktion ist eine Potenzfunktion $g(x)=x^3$ und die innere Funktion ist die Funktion $h(x)=3-e^{-2x}$ .
  Es gilt also: $f(x)=g(h(x))$
  Berechne die einzelnen Ableitungen: $g'(x)=3\cdot x^2$
  Bei der Ableitung von $h(x)$ fällt die $3$ weg, sodass nur $h^*(x)=- e^{-2x}$ abgeleitet wird. Beachte, dass es sich dabei wieder um eine verkettete Funktion handelt. Hier muss bei der Ableitung ebenfalls wieder die Kettenregel beachtet werden.
  Die äußere Funktion ist dabei $u(x)=-e^x$ und die innere Funktion ist die Funktion $v(x)=-2x$ . Es gilt also: $h^*(x)=u(v(x))$
  Berechne die einzelnen Ableitungen:
  $u'(x)=-e^x$ und $v'(x)=-2$
  Setze alles in die Formel der Kettenregel ein: $h^*(x)'=u'(v(x))\cdot v'(x)$
  $h^*(x)'=-e^{-2x} \cdot (-2)=2 \cdot e^{-2x}=h'(x)$
  Setze nun alles in die Formel der Kettenregel ein:
  $f'(x)=g'(h(x))\cdot h'(x)$
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4. Bilden Sie die Ableitung der Funktion $f$ mit $f(x) = x⁴\cdot (e^{2x}+1)$ .
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Produktregel
  Es handelt sich bei $f(x)$ um ein Produkt.
  Bringe $f(x)$ in die Form $f(x)=u(x)\cdot v(x)$ .
  Dazu setzt du $u(x)=x^4$ und $v(x)=e^{2x}+1$ .
  Die Ableitung von $u(x)$ lautet: $u'(x)=4x^3$
  Bei der Ableitung von $v(x)$ fällt die $1$ weg, sodass nur $v^*(x)= e^{2x}$ abgeleitet wird. Beachte, dass es sich dabei um eine verkettete Funktion handelt. Hier muss bei der Ableitung die Kettenregel beachtet werden.
  Die äußere Funktion ist dabei $g(x)=e^x$ und die innere Funktion ist die Funktion $h(x)=2x$ . Es gilt also: $v^*(x)=g(h(x))$
  Berechne die einzelnen Ableitungen:
  $g'(x)=e^x$ und $h'(x)=2$
  Setze alles in die Formel der Kettenregel ein: $v^*(x)'=g'(h(x))\cdot h'(x)$
  $v^*(x)'=e^{2x} \cdot 2=2\cdot e^{2x}= v'(x)$
  Setze nun alles in die Formel für die Produktregel ein:
  $f'(x)=(u(x)⋅v(x))'=u'(x)⋅v(x)+u(x)⋅v'(x)$
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5. Bilden Sie die Ableitung der Funktion $f$ mit $f(x) = e^{-2x}+2\sqrt{x}$ .
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Ableitung berechnen
  Es handelt sich bei $f(x)$ um eine Summe.
  Leite nach der Summenregel die einzelnen Funktionsterme ab.
  $f(x)=u(x)+v(x)\; \Rightarrow\; f'(x)=u'(x)+v'(x)$
  Setze dazu $u(x)=e^{-2x}$ und $v(x)=2\sqrt{x}=2\cdot x^\frac{1}{2}$
  Beachte, dass es sich bei $u(x)$ um eine verkettete Funktion handelt. Hier muss bei der Ableitung die Kettenregel beachtet werden.
  Die äußere Funktion ist dabei $g(x)=e^x$ und die innere Funktion ist die Funktion $h(x)=-2x$ . Es gilt also: $u(x)=g(h(x))$
  Berechne die einzelnen Ableitungen:
  $g'(x)=e^x$ und $h'(x)=-2$
  Setze alles in die Formel der Kettenregel ein: $u(x)'=g'(h(x))\cdot h'(x)$
  $u'(x)=e^{-2x} \cdot (-2)=-2\cdot e^{-2x}$
  Berechne nun die Ableitung von $v(x)$ :
  $v'(x)=2\cdot \dfrac{1}{2}\cdot x^{-\frac{1}{2}}=x^{-\frac{1}{2}}=\dfrac{1}{\sqrt{x}}$
  Setze die berechneten Ableitungen ein: $f'(x)=u'(x)+v'(x)$
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6. Bilden Sie die erste Ableitung der Funktion $f$ mit $f(x) = e^{-3x}\cdot(x²+ 1)$ und vereinfachen Sie so weit wie möglich.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Ableitung berechnen
  Es handelt sich bei $f(x)$ um ein Produkt.
  Bringe $f(x)$ in die Form $f(x)=u(x)\cdot v(x)$ .
  Dazu setzt du $u(x)= e^{-3x}$ und $v(x)=x^2+1$ .
  Beachte, dass es sich bei $u(x)$ um eine verkettete Funktion handelt. Hier muss bei der Ableitung die Kettenregel beachtet werden.
  Die äußere Funktion ist dabei $g(x)=e^x$ und die innere Funktion ist die Funktion $h(x)=-3x$ . Es gilt also: $u(x)=g(h(x))$
  Berechne die einzelnen Ableitungen:
  $g'(x)=e^x$ und $h'(x)=-3$
  Setze alles in die Formel der Kettenregel ein: $u'(x)=g'(h(x))\cdot h'(x)$
  $u'(x)=e^{-3x} \cdot (-3)=-3\cdot e^{-3x}$
  Die Ableitung von $v(x)$ lautet: $v'(x)=2x$
  Setze nun alles in die Formel für die Produktregel ein:
  $f'(x)=(u(x)⋅v(x))'=u'(x)⋅v(x)+u(x)⋅v'(x)$
  $f'(x)=-3\cdot e^{-3x} \cdot(x^2+1)+ e^{-3x}\cdot 2x$
  Vereinfacht:
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Stammfunktion und Integral
1. Gegeben ist die Funktion $f$ mit $f(x) = 3\cdot e^{-2x}+\dfrac{1}{2x}$ .
  Bestimmen Sie eine Stammfunktion $F$ von $f$ .
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Stammfunktion
  Die gegebene Funktion ist eine Summe aus zwei Funktionen $u(x)+v(x)$ , sodass für jede dieser beiden Funktionen eine Stammfunktion ermittelt werden kann.
  $u(x)=3\cdot e^{-2x}$
  Die $3$ bleibt als konstanter Vorfaktor erhalten und zu $e^{-2x}$ ist $-\dfrac{1}{2} e^{-2x}$ eine Stammfunktion $\;\;\Rightarrow\;\;U(x)=3\cdot \left( -\dfrac{1}{2} \right)e^{-2x}=-\dfrac{3}{2} e^{-2x}$
  $v(x)=\dfrac{1}{2x}=\dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{1}{x}$
  Die $\dfrac{1}{2}$ bleibt als konstanter Vorfaktor erhalten und zu $\dfrac{1}{x}$ ist $\ln|x|$ eine Stammfunktion $\;\;\Rightarrow\;\;V(x)=\dfrac{1}{2} \ln|x|$
  Eine Stammfunktion ist also:
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2. Gegeben ist die Funktion $f$ mit $f(x)=\dfrac{1}{x^2}+x$ . Bestimmen Sie diejenige Stammfunktion $F$ von $f$ , deren Schaubild den Punkt $(1|0)$ enthält.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Stammfunktion
  Die gegebene Funktion ist eine Summe aus zwei Funktionen $u(x)$ + $v(x)$ , sodass für jede dieser beiden Funktionen eine Stammfunktion ermittelt werden kann.
  $u(x)=\dfrac{1}{x^2}=x^{-2}$
  Zu $x^{-2}$ ist $-x^{-1}$ eine Stammfunktion $\;\;\Rightarrow\;\;U(x)=-x^{-1}$
  $v(x)=x$
  Zu $x$ ist $\frac{1}{2}\cdot x^2$ eine Stammfunktion $\;\;\Rightarrow\;\;V(x)=\frac{1}{2}x^2$
  Die Menge aller Stammfunktionen ist also:
  Gesucht ist die Stammfunktion $F$ von $f$ , deren Schaubild den Punkt $(1|0)$ enthält, d.h.
  $F(1)=0\;\;\Rightarrow\;\;0=-1^{-1}+\frac{1}{2}1^2+C$
  $0=-1+\frac{1}{2}+C\;\Rightarrow\;0=-\frac{1}{2}+C\;\Rightarrow\;C=\frac{1}{2}$
  $\displaystyle F(x)=-x^{-1}+\frac{1}{2}x^2+\frac{1}{2}$ oder $\displaystyle F(x)=-\frac{1}{x}+\frac{1}{2}x^2+\frac{1}{2}$
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3. Zeigen Sie, dass $F(x) = \ln(1+x²)$ eine Stammfunktion von $f(x) =2\cdot \dfrac{x}{1+x²}$ ist.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Stammfunktion
  Berechne die Ableitung von $F(x):$
  Beachte, dass es sich bei $F(x )$ um eine verkettete Funktion handelt.
  Zerlege die Funktion $F(x)$ , sodass die Kettenregel angewendet werden kann. Die äußere Funktion ist die natürliche Logarithmusfunktion $g(x)=\ln(x)$ und die innere Funktion ist die Funktion $h(x)=1+x²$
  Es gilt also: $F(x)=g(h(x))$
  Berechne die einzelnen Ableitungen:
  $g'(x)=\dfrac{1}{x}$ und $h'(x)=2x$
  Setze in die Formel der Kettenregel ein: $F'(x)=g'(h(x))\cdot h'(x)$
  $F'(x)=\dfrac{1}{1+x²}\cdot 2x=2 \cdot \dfrac{x}{1+x²}=f(x)$
  Antwort: Damit ist gezeigt, dass $F(x) = \ln(1+x²)$ eine Stammfunktion von $f(x) =2\cdot \dfrac{x}{1+x²}$ ist.
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  $F(x)$ ist dann eine Stammfunktion, wenn $F'(x)=f(x)$ ist.
4. Berechnen Sie das Integral $\displaystyle \int_1^e\left(\frac{3}{x}-1\right)\mathrm{d}x$ .
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Stammfunktion
  Eine Stammfunktion zu $\dfrac{3}{x}$ ist $3\cdot\ln|x|$ und zu 1 gehört die Stammfunktion $x$ .
  $\Rightarrow\;\;\int_{1}^{e} \left(\dfrac{3}{x}-1\right) \mathrm{d}x=\left[3\cdot\ln|x|-x\right]_{1}^{e}$
  $=(3\cdot\underbrace{\ln|e|}_{1}-e)-(3\cdot \underbrace{\ln|1|}_{0}-1)=3-e+1=4-e$
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5. Berechnen Sie das Integral $\displaystyle\int_0^{\frac{\pi}{4}}(\sin(2x)+1)\;\mathrm{d}x$ .
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Stammfunktion
  Eine Stammfunktion zu $\sin(2x)$ ist $-\frac{1}{2}\cos(2x)$ und zu 1 gehört die Stammfunktion $x$ .
  $\Rightarrow\;\;\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} (\sin(2x)+1) \mathrm{d}x=\left[-\frac{1}{2}\cos(2x)+x\right]_{0}^{\frac{\pi}{4}}$
  $=(-\frac{1}{2}\cdot\underbrace{\cos(2\cdot\frac{\pi}{4})}_{0}+\frac{\pi}{4})-(-\frac{1}{2}\cdot\underbrace{\cos(2\cdot 0)}_{1}+0)$
  $=\dfrac{\pi}{4}+\dfrac{1}{2}$
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6. Die Funktion f mit $f(x) =\dfrac{4}{\sqrt{x}}$ schließt mit der x-Achse, der Geraden $x = 4$ und der y-Achse eine nach oben offene Fläche ein (siehe Skizze). Untersuchen Sie, ob diese Fläche einen endlichen Flächeninhalt hat und bestimmen Sie diesen gegebenenfalls.
  
  Berechne die eingeschlossene Fläche in Abhängigkeit von $k$ .
  $A(k)=\int_{k}^{4} \left(\dfrac{4}{\sqrt{x}}\right) \mathrm{d}x=\left[8\cdot \sqrt{x}\right]_{k}^{4}$
  $=(8\cdot \sqrt{4})-(8\cdot \sqrt{k})=16-8\cdot \sqrt{k}$
  Berechne nun den Grenzwert von $A(k)$ für $k\rightarrow0$
  $A=\lim_{k\rightarrow0}(16-8\cdot \sqrt{k})=16$
  Antwort: Die Fläche hat einen endlichen Flächeninhalt $A=16 \;\text{FE}$ .
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Gleichungslehre

Lösen Sie die Gleichung $x^5 + 2x^3- 3x = 0.$

Lösen Sie die Gleichung $(2x^2 – 50) \cdot (e^{2x} – 7) = 0.$

Lösen Sie die Gleichung $e^x+3-10\cdot e^{-x}=0.$

Lösen Sie die Gleichung $(e^{-x} - 3 )^2 = 4.$

Lösen Sie für $0\leq x\leq2\pi$ die Gleichung $(\sin(x))^2- 2\sin(x) = 3.$

Lösen Sie die Gleichung $\dfrac{2}{x²} +\dfrac{1}{x}= 1.$

Lösen Sie die Gleichung $1 −\dfrac{5}{e^{x}}+\dfrac{4}{e^{2x}}=0.$

Lösen Sie für $0 \leq x\leq2\pi$ die Gleichung $\cos(x)·(e^{-2x+1} + 1) = 0.$

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Satz vom Nullprodukt
Wenn das Produkt zweier Faktoren $0$ ist, so ist mindestens einer dieser Faktoren gleich $0$ .
Also ist entweder $\mathrm{(I)}\;\cos(x)=0$ oder $\mathrm{(II)}\;e^{-2x+1} + 1=0$
Lösung für Gleichung $\mathrm{(I)}$ :
Im Bereich $0 \leq x\leq2\pi$ ist $\cos(\frac{\pi}{2})=0$ und $\cos(\frac{3\pi}{2})=0$
$\Rightarrow\; x_1=\frac{\pi}{2}\; \text{und}\; x_2=\frac{3\pi}{2}$
Lösung für Gleichung $\mathrm{(II)}$ :
$e^{-2x+1} + 1=0 \;\;\Rightarrow\;\mathrm{(II')}\;e^{-2x+1}=-1$
Die Gleichung $\mathrm{(II')}$ hat keine Lösung ( $e^{-2x+1}$ ist für alle $x$ immer $>0$ ).
Antwort: Die Gleichung hat die Lösungsmenge $\mathbb{L}=\{\frac{\pi}{2};\frac{3\pi}{2}\}$ .
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Elemente der Kurvendiskussion

Bestimmen Sie die Extrempunkte der Funktion $f$ mit $f(x)=e^{2x}+e^{-x}.$

Bestimmen Sie den Wendepunkt der Funktion $f$ mit $f(x) = (x-1)\cdot e^{x}.$

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Wendepunkte
Ableitungen
Berechne die erste und zweite Ableitung der Funktion.
1. Ableitung
$f(x) = (x-1)\cdot e^{x}$
Wende die Produktregel an:
Schreibe $f(x)$ als Produkt der beiden Funktionen $u(x)$ und $v(x)$ .
$f(x)=u(x) \cdot v(x)\;\;\Rightarrow u(x)=x-1$ und $v(x) =e^x$
$u'(x)=1$ und $v'(x)=e^x$
$f'(x)=u'(x) \cdot v(x)+u(x) \cdot v'(x)$
$f'(x)=1\cdot e^{x}+(x-1)\cdot e^{x}=e^x(1+x-1)=x\cdot e^x$
2. Ableitung
$f'(x)=x\cdot e^{x}$
Wende die Produktregel an:
$u(x)=x$ und $v(x) =e^x\;\;\Rightarrow u'(x)=1$ und $v'(x)=e^x$
$f''(x)=1\cdot e^x+x \cdot e^x=e^x \cdot (1+x)$
Wendepunkte
Bedingung: $f''(x)=0$ und Vorzeichenwechsel von $f''(x)$ bei $x_W$ .
Setze die 2. Ableitung gleich $0$ .
$0=e^x \cdot (1+x)$
Wende den Satz vom Nullprodukt an.
1. Faktor: $e^x \neq 0$ für alle $x$ .
2. Faktor: $1+x=0\;\Rightarrow \;x=-1$
Du hast eine mögliche Wendestelle gefunden: $x_W=-1$
Prüfe, ob $f''(x)$ bei $x_W$ das Vorzeichen wechselt.
$f''(-2)=e^{-2}\cdot(1-2)=-e^{-2}<0$
$f''(0)=e^{0}\cdot(1-0)=1>0$
Es gibt also einen Vorzeichenwechsel von $f''(x)$ von $-$ nach $+$ an der Stelle $x=-1$ .
Berechne $f(-1)$ :
$f(-1)=(-1-1)\cdot e^{-1}=-2\cdot e^{-1}$
Antwort: Der Wendepunkt lautet: $\text{WP}(-1|-2\cdot e^{-1})$
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Gegeben ist die Funktion $f$ mit $f(x) = 2\cdot e^{-x}$

a) Bestimmen Sie die Gleichung der Normalen von $f$ im Punkt $P(-1|2e)$ .

b) Bestimmen Sie den Schnittpunkt der Normalen mit der x-Achse.

Die Funktion $f$ hat das nebenstehende Schaubild und die Funktionsgleichung

$f(x) = ae^{x} + b$ , $(a,b \in \mathbb{R}).$

a) Bestimmen Sie die Werte von $a$ und $b$ .

b) Berechnen Sie, an welcher Stelle die Funktion $f$ die Steigung $- 1$ besitzt.

Gegeben sind die Funktionen $f$ und $g$ mit $\displaystyle f(x)=\frac{1}{1-x}+3$ und $\displaystyle g(x)=-\frac{1}{1+x}$ .

Geben Sie die waagrechte Asymptote der Funktion $f$ an.

Bestimmen Sie die Stelle, an der $f$ und $g$ die gleiche Steigung haben.

Gegeben ist die Funktion $f$ mit $f(x) = e^{-x-1}+1$
a) Skizzieren Sie das Schaubild von $f$ .
b) Berechnen Sie die Gleichung der Tangente an den Graphen von $f$ an der Stelle $-1$ und zeichnen Sie die Tangente ein.

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Exponentialfunktion
Lösung zu a)
Es gilt:
$\displaystyle \lim_{x\rightarrow-\infty}(e^{-x-1}+1)=\infty$ und
$\displaystyle \lim_{x\rightarrow+\infty}(e^{-x-1}+1)=1$
$f(1)=1+e^{-2}\approx1{,}1$
$f(0)=1+e^{-1}\approx1{,}4$
$f(-1)=e^{-(-1)-1}+1=e^0+1=2$
(Punkt $A$ in der Abbildung)
$f(-2)=e+1\approx 3{,}7$
Lösung zu b)
Berechne die 1. Ableitung der gegebenen Funktion und beachte die Kettenregel:
$f'(x)=e^{-x-1}\cdot(-1)+0=-e^{-x-1}$
An der Stelle $x=-1$ hat $f'(x)$ den Wert $-e^{-(-1)-1}=-e^{1-1}=-e^{0}=-1$
Für die Tangente im Punkt $A(-1|2)$ ergibt sich dann die Gleichung:
$y_T=m\cdot x+b=f'(-1)\cdot x+b=-1\cdot x+b$
Setze $A$ in $y_T$ ein: $2=-1\cdot (-1)+b=1+b\;\Rightarrow\;b=1$
Antwort: Die Gleichung der Tangente an den Graphen von $f(x)$ an der Stelle $x=-1$ lautet $y_T=-x+1$
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Gegeben ist die Funktion $f$ mit $f(x)= 2\cdot \sqrt{2x+1}$ .

a) Berechnen Sie die Steigung von $f$ an der Stelle $1{,}5$ .

b) Berechnen Sie die Stelle, an der die Funktion $f$ die Steigung $2$ hat.

c) Bestimmen Sie die Gleichung der Tangente an der Stelle $0$ .

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Ableiten von Potenzfunktionen

Lösung zu a)

Berechne die 1. Ableitung der gegebenen Funktion und beachte die Kettenregel:

$f(x)= 2\cdot \sqrt{2x+1}=2\cdot (2x+1)^{\frac{1}{2}}$

$f'(x)=2\cdot \frac{1}{2}\cdot (2x+1)^{-\frac{1}{2}}\cdot 2=2\cdot(2x+1)^{-\frac{1}{2}}=\dfrac{2}{\sqrt{2x+1}}$

$f'(1{,}5)=\dfrac{2}{\sqrt{2\cdot 1{,}5+1}}=\dfrac{2}{\sqrt{4}}=\dfrac{2}{2}=1$

Antwort: Die Steigung von $f(x)$ an der Stelle $x=1{,}5$ beträgt $1$ .

Lösung zu b)

Setze $f'(x)=2$ :

$\displaystyle 2$	$=$	$\displaystyle \dfrac{2}{\sqrt{2x+1}}$	$\displaystyle \cdot \sqrt{2x+1}$
	↓	Beseitige den Nenner.
$\displaystyle 2\cdot \sqrt{2x+1}$	$=$	$\displaystyle 2$	$\displaystyle :2$
	↓	Löse nach $x$ auf.
$\displaystyle \sqrt{2x+1}$	$=$	$\displaystyle 1$	$\displaystyle {()^2}$
$\displaystyle 2x+1$	$=$	$\displaystyle 1$	$\displaystyle -1$
$\displaystyle 2x$	$=$	$\displaystyle 0$	$\displaystyle :2$
$\displaystyle x$	$=$	$\displaystyle 0$

Antwort: An der Stelle $x=0$ hat die Funktion $f(x)$ die Steigung $2$ .

Lösung zu c)

Aus b) folgt $f'(0)=2$ und $f(0)= 2\cdot \sqrt{2\cdot 0+1}=2$ $\;\Rightarrow \;A(0|2)$

Für die Tangente im Punkt $A(0|2)$ ergibt sich dann die Gleichung:

$y_T=m\cdot x+b=f'(0)\cdot x+b=2\cdot x+b$

Setze $A$ in $y_T$ ein: $2=2\cdot 0+b\;\Rightarrow\;b=2$

Antwort: Die Gleichung der Tangente an den Graphen von $f(x)$ an der Stelle $x=0$ lautet $y_T=2x+2$

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Gegeben ist die Funktion $f$ mit $f(x) = -\sin(x) + 1.$
a) Skizzieren Sie das Schaubild von $f$ für $0\leq x\leq 2\pi$ .
b) Bestimmen Sie die Steigung von $f$ an der Stelle $x = \pi$ .
c) Bestimmen Sie $c$ so, dass der Ursprung auf dem Schaubild von $g(x) = f(x+c)$ liegt.

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Trigonometrische Funktionen
Lösung zu a)
Die Funktion $\sin(x)$ wird an der x-Achse gespiegelt und um $1$ in positive
y-Achsenrichtung verschoben.
$f(x) = -\sin(x) + 1$
Lösung zu b)
Berechne die 1. Ableitung der gegebenen Funktion:
$f'(x)=-\cos(x)$
$f'(\pi)=-\cos(\pi)=-(-1)=1$
Antwort: Die Steigung von $f(x)$ an der Stelle $x = \pi$ beträgt $1$ .
Lösung zu c)
Aus der Abbildung zu a) kannst du entnehmen, dass die Funktion $f(x)$ um $\dfrac{\pi}{2}$ nach links verschoben werden muss.
$g(x) = f(x+c)=-\sin (x+\frac{\pi}{2}) + 1\;\Rightarrow \; c=\dfrac{\pi}{2}$
Antwort: Für $c=\dfrac{\pi}{2}$ liegt der Ursprung auf dem Schaubild von $g(x) = f(x+c)$ .
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Funktionskompetenz
1. Die Abbildung zeigt das Schaubild der Ableitung $f'$ einer Funktion $f$ . Begründen Sie, ob folgende Aussagen über die Funktion $f$ wahr, falsch oder unentscheidbar sind.
  a) An der Stelle $0$ hat das Schaubild von $f$ einen Hochpunkt.
  b) Für $0\leq x \leq 2$ ist $f(x)\leq 0$ .
  c) Das Schaubild von $f$ ist punktsymmetrisch zum Ursprung für $-1 \lt x \lt 1$ .
  d) An der Stelle $2$ hat das Schaubild von $f$ einen Wendepunkt.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Kurvendiskussion
  Lösung zu a)
  An der Stelle $x=0$ ist $f'(x)=0$ und $f'(x)$ hat hier einen Vorzeichenwechsel von $+$ nach $-$ . Das Schaubild von $f(x)$ hat somit bei $x=0$ einen Hochpunkt.
  Die Aussage ist wahr.
  Lösung zu b)
  Der Verlauf von $f'(x)$ lässt keine eindeutigen Rückschlüsse auf den Verlauf von $f(x)$ zu.
  Die Aussage ist unentscheidbar.
  Lösung zu c)
  Für $-1<x<1$ entnimmst du dem Schaubild, dass hier $f'(x)$ punktsymmetrisch zum Ursprung ist. Demnach muss Schaubild von $f(x)$ achsensymmetrisch zur y-Achse sein.
  Die Aussage ist falsch.
  Lösung zu d)
  An der Stelle $x=2$ ist $f'(x)$ maximal, d.h. $f''(x)=0$ . Außerdem ist $f'(2)=0$ und $f'(x)$ hat hier keinen Vorzeichenwechsel, sodass hier ein Terrassenpunkt oder Sattelpunkt vorliegt.
  Die Aussage ist wahr.
  (Anmerkung: Ein Terrassenpunkt oder Sattelpunkt ist ein Wendepunkt, in dem die Steigung einer Funktion 0 wird.)
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2. Die Abbildung zeigt das Schaubild der Ableitung $f'$ einer Funktion $f$ .
  a) Begründen Sie, welche Aussagen man in dem dargestellten Bereich hinsichtlich der Anzahl der
  - Extremstellen,
  - Wendestellen
  und Nullstellen
  von $f$ man treffen kann.
  b) Begründen Sie, dass $\displaystyle \int_{-2}^3f'(x)\,\mathrm{d}x<0$ gilt.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Kurvendiskussion
  Lösung zu a)
  Anzahl der Extremstellen: Der Abbildung entnimmst du, dass $f'(x)$ zwei Nullstellen jeweils mit Vorzeichenwechsel hat. Demnach hat $f(x)$ zwei Extrema.
  Anzahl der Wendestellen: Der Abbildung entnimmst du, dass $f'(x)$ zwei Extrema hat. Hier ist jeweils $f''(x)=0$ . Demnach hat $f(x)$ zwei Wendestellen.
  Anzahl der Nullstellen: Sowohl die Ableitung von $f(x)$ als auch die Ableitung von $f(x)+c$ (Graph von $f(x)$ parallel zur y-Achse verschoben) ergeben die gleiche Ableitungsfunktion $f'(x)$ . Somit ist keine genaue Aussage über die Anzahl der Nullstellen von $f(x)$ möglich.
  Allerdings weißt du, dass zwischen zwei Nullstellen von $f$ immer ein Extremum liegen muss. Daher kann $f$ höchstens drei Nullstellen haben.
  Lösung zu b)
  Das Integral $\int_{-2}^3f'(x)\mathrm{d}x$ kann in zwei Teile zerlegt werden: $\int_{-2}^3f'(x)\mathrm{d}x=\int_{-2}^1f'(x)\mathrm{d}x+\int_{1}^3f'(x)\mathrm{d}x$
  Dabei gilt: $\Big\vert\int_{-2}^1f'(x)\mathrm{d}x \Big\vert>\int_{1}^3f'(x)\mathrm{d}x$ . Der Wert des Integrals $\int_{-2}^1f'(x)\mathrm{d}x$ ist negativ, da die Fläche unter der $x$ -Achse liegt. Insgesamt ist dann die Flächenbilanz negativ, sodass die angegebene Ungleichung stimmt.
  Du kannst auch z.B. durch das Zählen von ganzen Kästchen feststellen, dass schon $\int_{-2}^{-1/2}f(x)\, dx<-3$ und $\int_1^3 f(x)\, dx<3$ ist.
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3. Die Abbildung zeigt das Schaubild der Ableitung $f'$ einer Funktion $f$ .
  Begründen Sie, ob folgende Aussagen über die Funktion $f$ wahr, falsch oder unentscheidbar sind.
  a) Bei $x = 0$ besitzt das Schaubild von $f$ einen Extrempunkt.
  b) Bei $x = -2$ besitzt das Schaubild von f eine waagrechte Tangente.
  c) Das Schaubild der Funktion $f$ besitzt keine Wendepunkte.
  d) $f(x) \gt 0$ für $x \gt -2$ .
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Kurvendiskussion
  Lösung zu a)
  An der Stelle $x=0$ ist $f'(0)=2$ , d.h. die Steigung ist hier positiv. Bei einem Extrempunkt müsste die Steigung aber $0$ sein.
  Die Aussage ist falsch.
  Lösung zu b)
  $f'(-2)=0$ und $f'(x)$ hat hier einen Vorzeichenwechsel, sodass hier eine Extremstelle mit waagrechter Tangente vorliegt.
  Die Aussage ist wahr.
  Lösung zu c)
  An der Stelle $x=0$ ist $f''(0)=0$ , d.h. der Graph hat hier einen Wendepunkt.
  Die Aussage ist falsch.
  Lösung zu d)
  Sowohl die Ableitung von $f(x)$ als auch die Ableitung von $f(x)+c$ (Graph von $f(x)$ parallel zur y-Achse verschoben) ergeben die gleiche Ableitungsfunktion $f'(x)$ . Aus dem Verlauf von $f'(x)$ kann nicht auf den Verlauf von $f(x)$ rückgeschlossen werden.
  Die Aussage unentscheidbar.
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4. Gegeben sind die Schaubilder zweier Funktionen $f$ und $g.$ Eine der beiden Funktionen ist die Ableitungsfunktion der anderen Funktion.
  a) Begründen Sie, dass die Funktion $f$ die Ableitung der Funktion $g$ ist.
  b) Die Funktion $g$ hat die Funktionsgleichung $g(x) = e^{ax}+b$ . Bestimmen Sie $a$ und $b.$
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Kurvendiskussion
  Lösung zu a)
  Für $x>0$ ist die Steigung der Funktion $f(x)$ kleiner als $1$ . Da aber $g(x)$ für $x>$ 0 immer $>2$ ist, kann $g(x)$ nicht die Ableitungsfunktion von $f(x)$ sein. Demnach ist $g'(x)=f(x)$ .
  Antwort: Die Funktion $f(x)$ ist die Ableitung der Funktion $g(x)$ .
  Lösung zu b)
  Es gilt: $g(0)=3$ $\;\Rightarrow\;3=e^0+b\;\Rightarrow\;3=1+b\;\Rightarrow\;b=2$
  $y_A=2$ ist auch die waagrechte Asymptote der Funktion $g(x)$ .
  Somit ist $g(x)=e^{ax}+2\;\Rightarrow\;g'(x)=a\cdot e^{ax}=f(x)$ wie in Aufgabe a) nachgewiesen.
  $f(0)=-\frac{1}{2}\;\Rightarrow\;g'(0)=-\frac{1}{2}=a\cdot e^0=a$
  Antwort: $a=-\frac{1}{2}$ und $b=2$ . Damit folgt für die Funktion $g(x)=e^{-\frac{1}{2}\cdot x}+2$ .
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5. Die 4 Abbildungen zeigen die Schaubilder von Funktionen. Eines dieser Schaubilder gehört zu der Funktion $f$ mit $f(x)=\dfrac{a}{1+x²}-1$ .
  a) Begründen Sie, dass Abbildung 2 zur Funktion $f$ gehört. Bestimmen Sie den Wert von a.
  b) Von den anderen drei Abbildungen gehört eine zur Ableitungsfunktion $f'$ und eine zur Integralfunktion $I$ mit $I(x)=\int_{2}^{x} f(t) \mathrm{d}t$ . Ordnen Sie diesen beiden Funktionen die zugehörigen Abbildungen zu und begründen Sie jeweils Ihre Zuordnung.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Kurvendiskussion
  Lösung zu a)
  Die gegebene Funktion $f(x)=\dfrac{a}{1+x^2}-1$ ist wegen $f(-x)=f(x)$ achsensymmetrisch zur y-Achse. Die Abbildung $2$ ist die einzige Funktion, die achsensymmetrisch zur y-Achse ist. Außerdem hat $f(x)$ eine waagrechte Asymptote $y_A=-1$ und nur der Graph in Abbildung $2$ hat auch eine waagrechte Asymptote $y_A=-1$ .
  Es gilt: $f(0)=2\;\Rightarrow\;2=\dfrac{a}{1+0}-1\;\Rightarrow\;a=3$
  Antwort: Abbildung $2$ gehört zur Funktion $f(x)$ und $a$ hat den Wert $3$ .
  Lösung zu b)
  Der Graph der Funktion $f(x)=\dfrac{3}{1+x^2}-1$ hat bei $x=0$ einen Hochpunkt $\;\Rightarrow\; f'(0)=0$ mit Vorzeichenwechsel von $+$ nach $-$ . Nur Abbildung $3$ erfüllt diese beiden Bedingungen.
  Die Integralfunktion $I(x)=\int_{2}^xf(t)\mathrm{d}t$ hat für $x=2$ eine Nullstelle. Nur die Abbildung $4$ hat bei $x=2$ eine Nullstelle.
  Antwort: Abbildung $3$ gehört zur Ableitungsfunktion $f'(x)$ und Abbildung $4$ gehört zur Integralfunktion $I(x)$ .
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schule-bw.de (Gilt für: Aufgabenstellung)Dieses Werk steht unter der freien Lizenz CC BY 4.0 mit Namensnennung Landesbildungsserver Baden-Württemberg
Lineare Gleichungssysteme, Inzidenzgeometrie
1. Bestimmen Sie die Lösungsmenge des Linearen Gleichungssystems.
  $x_1 + x_2 +7x_3 = 2$
  $2x_1 - x_2 - 3x_3 = -5$
  $4x_1 - x_2 + 4x_3 = -7.$
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Lineares Gleichungssystem
  $\def\arraystretch{1.25} \begin{array}{rccccccc}\mathrm{I}& x_1 & + & x_2 & + & 7x_3 & = & 2 \\\mathrm{II} &2x_1 & - & x_2 & - & 3x_3 & = & -5 \\ \mathrm{III} & 4x_1& - & x_2 & + & 4x_3 & = & -7 \end{array} $
  Zunächst solltest du das Gleichungssystem zu einer erweiterten Koeffizientenmatrix umschreiben:
  $\def\arraystretch{1.25} \left(\begin{array}{rrr|c}1&1&7&2\\\textcolor{ff6600}{2} & -1&-3&-5\\ \textcolor{ff6600}{4} &-1&4&-7 \end{array}\right)$
  Als ersten Schritt des Gaußverfahrens verwendest du jetzt das Additionsverfahren, um die beiden Einträge, die jetzt $\textcolor{ff6600}{\text{ orange}}$
  markiert sind auf null zu bringen.
  $\def\arraystretch{1.25} \begin{array}{c} \left(\begin{array}{rrr|c}1&1&7&2\\\textcolor{ff6600}{2} &-1&-3&-5\\\textcolor{ff6600}{4} &-1&4&-7\end{array}\right)&\underrightarrow{\mathrm{II}-2\cdot\mathrm{I}}&\left(\begin{array}{rrr|c}1&1&7&2\\0&-3&-17&-9\\4&-1&4&-7\end{array}\right)\\ \\\left(\begin{array}{rrr|c}1&1&7&2\\0&-3&-17&-9\\4&-1&4&-7\end{array}\right)&\underrightarrow{\mathrm{III}-4\cdot\mathrm{I}}&\left(\begin{array}{rrr|c}1&1&-7&2\\\textcolor{ff6600}{0}&-3&-17&-9\\ \textcolor{ff6600}{0}&\textcolor{006400}{-5}&-24&-15\end{array}\right) \end{array}$
  Dazu ziehst du von der zweiten Zeile das Doppelte der ersten Zeile ab $\left(\mathrm{II}-2\cdot\mathrm{I}\right)$ .
  Anschließend ziehst du von der dritten Zeile das Vierfache der ersten Zeile ab $\left( \mathrm{III}-4\cdot\mathrm{I}\right)$ .
  Jetzt gibt es in deiner erweiterten Koeffizientenmatrix nur noch einen Eintrag unter der Diagonalen, der nicht null ist, in der Matrix ist er $\textcolor{006400}{ \text{grün} }$ markiert.
  Damit auch in diesem Eintrag der Matrix eine null steht, addierst du nun zum minus Dreifachen der dritten Zeile das Fünffache der zweiten Zeile $\left(-3\cdot\mathrm{III}+5\cdot\mathrm{II}\right)$ .
  $\def\arraystretch{1.25} \begin{array}{c} \left(\begin{array}{rrr|c}1&1& -7&2 \\\textcolor{ff6600}{0}&-3&-17&-9\\ \textcolor{ff6600}{0}& \textcolor{006400}{-5}&-24&-15 \end{array}\right)&\underrightarrow{-3\cdot\mathrm{III}+5\cdot\mathrm{II}}&\left(\begin{array}{rrr|c}1&1& -7&2 \\\textcolor{ff6600}{0}&-3&-17&-9\\ \textcolor{ff6600}{0}& \textcolor{006400}{0}&-13&0 \end{array}\right) \end{array}$
  Die letzte Zeile lautet nun: $-13x_3=0\;\Rightarrow\;x_3=0$
  Aus Zeile $2$ folgt dann mit $x_3=0$ : $\; -3x_2-17\cdot 0=-9\;\Rightarrow\;x_2=3$
  Aus Zeile $1$ folgt dann mit $x_3=0$ und $x_2=3$ : $\;x_1+3-7\cdot 0=2\;\Rightarrow\;x_1=-1$
  Antwort: Das lineare Gleichungssystem hat die Lösungsmenge $\mathbb{L}=\{(-1|3|0)\}$
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2. Stellen Sie den Vektor $\vec{v}= \begin{pmatrix} 14 \\ -5 \\ 7 \end{pmatrix}$ als Linearkombination der drei Vektoren
  $\vec{a}= \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix}$ , $\vec{b}= \begin{pmatrix} -1 \\ 3 \\ 7 \end{pmatrix}$ und $\vec{c}= \begin{pmatrix} 5 \\ -2 \\ 2 \end{pmatrix}$ dar.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Linearkombination
  Du machst den Ansatz: $\vec v=r\cdot\vec a+s\cdot \vec b +t\cdot \vec c$
  $\begin{pmatrix}14 \\ -5 \\ 7 \end{pmatrix}=r\cdot\begin{pmatrix}0 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix}+s\cdot \begin{pmatrix} -1 \\3 \\7 \end{pmatrix}+t\cdot \begin{pmatrix} 5 \\ -2 \\ 2 \end{pmatrix}$
  Um das Gaußverfahren anzuwenden, sollte in der erweiterten Koeffizientenmatrix an der ersten Stelle keine $0$ stehen. Deshalb werden die Spalten $1$ und $2$ vertauscht.
  $\def\arraystretch{1.25} \left(\begin{array}{rrr|c}-1&0&5&14\\\textcolor{ff6600}{3} & 1&-2&-5\\ \textcolor{ff6600}{7} &3&2&7 \end{array}\right)$
  Als ersten Schritt des Gaußverfahrens verwendest du jetzt das Additionsverfahren, um die beiden Einträge, die jetzt $\textcolor{ff6600}{\text{ orange}}$
  markiert sind auf null zu bringen.
  $\def\arraystretch{1.25} \begin{array}{c} \left(\begin{array}{rrr|c}-1&0&5&14\\\textcolor{ff6600}{3} & 1&-2&-5\\ \textcolor{ff6600}{7} &3&2&7 \end{array}\right) &\underrightarrow{\mathrm{II}+3\cdot\mathrm{I}}&\left(\begin{array}{rrr|c}-1&0&5&14\\\textcolor{ff6600}{0} & 1&13&37\\ \textcolor{ff6600}{7} &3&2&7 \end{array}\right)\\ \\\left(\begin{array}{rrr|c}-1&0&5&14\\\textcolor{ff6600}{0} & 1&13&37\\ \textcolor{ff6600}{7} &3&2&7 \end{array}\right)&\underrightarrow{\mathrm{III}+7\cdot\mathrm{I}}&\left(\begin{array}{rrr|c}-1&0&5&14\\\textcolor{ff6600}{0}&1&13&37\\ \textcolor{ff6600}{0}&\textcolor{006400}{3}&37&105\end{array}\right) \end{array}$
  Dazu addierst du zur zweiten Zeile das Dreifache der ersten Zeile $\left(\mathrm{II}+3\cdot\mathrm{I}\right)$ .
  Anschließend addierst du zur dritten Zeile das Siebenfache der ersten Zeile $\left( \mathrm{III}+7\cdot\mathrm{I}\right)$ .
  Jetzt gibt es in deiner erweiterten Koeffizientenmatrix nur noch einen Eintrag unter der Diagonalen, der nicht null ist, in der Matrix ist er $\textcolor{006400}{ \text{grün} }$ markiert.
  Damit auch in diesem Eintrag der Matrix eine null steht, subtrahierst du das Dreifache der zweiten Zeile von der dritten Zeile $\left(\mathrm{III}-3\cdot\mathrm{II}\right)$ .
  
  $\def\arraystretch{1.25} \begin{array}{c} \left(\begin{array}{rrr|c}-1&0&5&14\\\textcolor{ff6600}{0}&1&13&37\\ \textcolor{ff6600}{0}&\textcolor{006400}{3}&37&105\end{array}\right)&\underrightarrow{\mathrm{III}-3\cdot\mathrm{II}}&\left(\begin{array}{rrr|c}-1&0&5&14 \\\textcolor{ff6600}{0}&1&13&37\\ \textcolor{ff6600}{0}& \textcolor{006400}{0}&-2&-6 \end{array}\right) \end{array}$
  Die letzte Zeile lautet nun: $-2\cdot t=-6\;\Rightarrow\;t=3$
  Aus Zeile $2$ folgt dann mit $t=3$ : $\; r+13\cdot 3=37\;\Rightarrow\;r=-2$
  Aus Zeile $1$ folgt dann mit $t=3$ und $r=-2$ : $\;-s+0\cdot(-2)+5\cdot 3=14\;\Rightarrow\;s=1$
  Antwort: Der Vektor $\vec v$ kann durch die folgende Linearkombination dargestellt werden:
  $\begin{pmatrix}14 \\ -5 \\ 7 \end{pmatrix}=(-2)\cdot\begin{pmatrix}0 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix}+1\cdot \begin{pmatrix} -1 \\3 \\7 \end{pmatrix}+3\cdot \begin{pmatrix} 5 \\ -2 \\ 2 \end{pmatrix}$
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3. Gegeben sind die Ebenen $E_1:\begin{pmatrix} \vec{x}-\begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 6\end{pmatrix} \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 2\\ 3 \\ 2\end{pmatrix}=0$ und $E_2 : x_3 = 2.$
  a) Stellen Sie die Ebenen $E_1$ und $E_2$ in einem gemeinsamen Koordinatensystem dar.
  b) Zeichnen Sie die Schnittgerade $g$ von $E_1$ und $E_2$ ein und bestimmen Sie die Gleichung der Schnittgeraden.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Schnittgerade
  Lösung zu a)
  Die rote Ebene ist die Ebene $E_1$ in Koordinatenform: $2x_1+3x_2+2x_3=12$
  In Achsenabschnittsform lautet $E_1$ : $\dfrac{x_1}{6}+\dfrac{x_2}{4}+\dfrac{x_3}{6}=1$
  So können die Achsenschnittpunkte (Spurpunkte) abgelesen werden: $S_{x_1}(6|0|0)$ ; $S_{x_2}(0|4|0)$ ; $S_{x_3}(0|0|6)$
  Die grüne Ebene ist die Ebene $E_2$ : $x_3=2$ . Sie hat den Achsenschnittpunkt $S_{x_3}(0|0|2)$ und sie liegt parallel zur $x_1$ - $x_2$ -Ebene.
  Lösung zu b)
  Die blau eingezeichnete Gerade in der Abbildung ist die Schnittgerade der beiden Ebenen.
  Bestimmung der Geradengleichung
  Du suchst zwei Punkte, die in beiden Ebenen liegen.
  Für alle Werte von $x_1$ liegt der Punkt $A(x_1|0|2)$ in der Ebene $E_2$ ( $A$ erfüllt die Ebenengleichung).
  Für alle Werte von $x_2$ liegt der Punkt $B(0|x_2|2)$ in der Ebene $E_2$ ( $B$ erfüllt die Ebenengleichung).
  Die Punkte $A$ und $B$ sollen gemeinsame Punkte der beiden Ebenen sein. Deshalb müssen beide Punkte auch die Ebenengleichung $E_1$ erfüllen.
  $A \in E_1\;\Rightarrow\;2\cdot x_1+3\cdot 0+2\cdot 2=12\;\Rightarrow\;x_1=4\;\Rightarrow\;A(4|0|2)$
  $B \in E_1\;\Rightarrow\;2\cdot 0+3\cdot x_2+2\cdot 2=12\;\Rightarrow\;x_2=\frac{8}{3}\;\Rightarrow\;B(0|\frac{8}{3}|2)$
  Die Schnittgerade ergibt sich dann zu: $g:\;\vec x=\overrightarrow{OA}+r\cdot \overrightarrow{AB}$
  $g:\;\vec x=\begin{pmatrix}4 \\ 0\\ 2 \end{pmatrix}+r\cdot \left(\begin{pmatrix}0 \\ \frac{8}{3}\\ 2 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}4 \\ 0\\ 2 \end{pmatrix}\right)=\begin{pmatrix}4 \\ 0\\ 2 \end{pmatrix}+r\cdot \begin{pmatrix}-4 \\ \frac{8}{3}\\ 0 \end{pmatrix}$
  Der Richtungsvektor kann noch vereinfacht werden: $\begin{pmatrix}-4 \\ \frac{8}{3}\\ 0 \end{pmatrix}\;\underrightarrow{\cdot 3 }\; \begin{pmatrix}-12 \\ 8\\ 0 \end{pmatrix}\;\underrightarrow{:4}\;\begin{pmatrix}-3 \\ 2\\ 0 \end{pmatrix}$
  Antwort: Die Gleichung der Schnittgeraden lautet: $g:\;\vec x=\begin{pmatrix}4 \\ 0\\ 2 \end{pmatrix}+r\cdot \begin{pmatrix}-3 \\ 2\\ 0 \end{pmatrix}$
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4. Gegeben sind die Ebenen $E:x_1+2x_2=4$ und $F : 2x_1 + x_2 + 2x_3 = 8.$
  a) Stellen Sie die Ebenen $E$ und $F$ in einem gemeinsamen Koordinatensystem dar.
  b) Zeichnen Sie die Schnittgerade von $E$ und $F$ ein und bestimmen Sie die Gleichung der Schnittgeraden.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Schnittgerade
  Lösung zu a)
  Die grüne Ebene ist die Ebene $E$ in Koordinatenform: $x_1+2x_2=4$
  In Achsenabschnittsform lautet $E$ : $\dfrac{x_1}{4}+\dfrac{x_2}{2}=1$
  So können die Achsenschnittpunkte (Spurpunkte) abgelesen werden: $S_{x_1}(4|0|0)$ ; $S_{x_2}(0|2|0)$
  Es gibt keinen Schnittpunkt mit der $x_3$ -Achse, d.h. die Ebene $E$ verläuft parallel zur $x_3$ -Achse
  Die rote Ebene ist die Ebene $F$ in Koordinatenform: $2x_1+x_2+2x_3=8$
  In Achsenabschnittsform lautet $F$ : $\dfrac{x_1}{4}+\dfrac{x_2}{8}+\dfrac{x_3}{4}=1$
  So können die Achsenschnittpunkte abgelesen werden: $S_{x_1}(4|0|0)$ ; $S_{x_2}(0|8|0)$ ; $S_{x_3}(0|0|4)$
  Lösung zu b)
  Die blau eingezeichnete Gerade in der Abbildung ist die Schnittgerade der beiden Ebenen.
  Bestimmung der Geradengleichung
  Du suchst zwei Punkte, die in beiden Ebenen liegen.
  Der Punkt $A(4|0|0)=S_{x_1}$ ist ein gemeinsamer Punkt der beiden Ebenen $E$ und $F$ .
  Für alle Werte von $x_3$ liegt der Punkt $B(0|2|x_3)$ in der Ebene $E$ ( $B$ erfüllt die Ebenengleichung).
  Damit $B$ auch in der Ebene $F$ liegt, muss gelten:
  $B \in F\;\Rightarrow\;2\cdot 0+2+2\cdot x_3=8\;\Rightarrow\;x_3=3\;\Rightarrow\;B(0|2|3)$
  Die Schnittgerade ergibt sich dann zu $g:\;\vec x=\overrightarrow{OA}+r\cdot \overrightarrow{AB}$
  $g:\;\vec x=\begin{pmatrix}4 \\ 0\\ 0 \end{pmatrix}+r\cdot \left(\begin{pmatrix}0 \\ 2\\ 3 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}4 \\ 0\\ 0 \end{pmatrix}\right)=\begin{pmatrix}4 \\ 0\\ 0 \end{pmatrix}+r\cdot \begin{pmatrix}-4 \\ 2\\ 3 \end{pmatrix}$
  Antwort: Die Gleichung der Schnittgeraden lautet $g:\;\vec x=\begin{pmatrix}4 \\ 0\\ 0 \end{pmatrix}+r\cdot \begin{pmatrix}-4 \\ 2\\ 3 \end{pmatrix}$
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5. a) Geben Sie die Gleichung der Ebene $E$ an, welche die Spurpunkte $(0|0|4)$ und $(0|-3|0)$ und keinen Schnittpunkt mit der $x_1$ -Achse hat.
  b) Geben Sie die Gleichung der Ebene $F$ an, welche den Punkt $A(3|-3|-1$ ) enthält und parallel zur Ebene $E:x_1=2$ ist.
  c) Geben Sie die Gleichung der Geraden $g$ an, welche durch den Punkt $P(5|1|-4)$ geht und senkrecht zur Ebene
  $E:\begin{pmatrix} \vec{x}-\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 0\end{pmatrix} \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} -2\\ 1 \\ 0\end{pmatrix}=0$ steht.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Achsenabschnittsform
  Lösung zu a)
  Die Ebene $E$ hat keinen Schnittpunkt mit der $x_1$ -Achse, d.h. die Ebenengleichung $E$ hat unter Berücksichtigung der gegebenen Spurpunkte die Achsenabschnittsform:
  $E:\;\dfrac{x_2}{-3}+\dfrac{x_3}{4}=1\;\Rightarrow\;-4x_2+3x_3=12$
  Antwort: Die Gleichung der Ebene $E$ lautet: $\;-4x_2+3x_3=12$
  Lösung zu b)
  $E:x_1=2$
  Die Ebene $E$ hat den Normalenvektor $\vec n_E=\begin{pmatrix} 1 \\ 0\\ 0 \end{pmatrix}$ .
  Da die Ebene $F$ parallel zu $E$ sein soll, hat sie den gleichen Normalenvektor wie $E$ und enthält den Punkt A.
  $F: \;\left(\vec x-\overrightarrow{OA}\right)\circ \vec n_E =0\;\Rightarrow\;\left(\vec x-\begin{pmatrix} 3 \\ -3\\ -1 \end{pmatrix}\right)\circ\begin{pmatrix} 1 \\ 0\\ 0 \end{pmatrix}=0\;\Rightarrow\;x_1-3=0$
  Antwort: Die Gleichung der Ebene $F$ lautet: $x_1=3$ .
  Lösung zu c)
  Der Normalenvektor $\vec n =\begin{pmatrix}-2 \\1\\0 \end{pmatrix}$ der gegebenen Ebene $E$ ist der Richtungsvektor der Geraden $g$ , da die Gerade senkrecht zu $E$ steht.
  Als Aufpunkt der Geraden $g$ wird der Punkt $P$ genommen.
  Antwort: Die Gleichung der Geraden $g$ lautet: $\;\vec x=\begin{pmatrix}5 \\1\\-4 \end{pmatrix}+r\cdot \begin{pmatrix}-2 \\1\\0 \end{pmatrix}$
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6. Gegeben sind die Geraden $g$ und $h$ mit $g: \vec{x}=\begin{pmatrix} 4 \\ -1 \\ 0 \end{pmatrix}+r\cdot \begin{pmatrix} 3 \\ -1\\ 5 \end{pmatrix}$ und
  $h:\vec{x}=\begin{pmatrix} 4 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix}+r \cdot\begin{pmatrix} -9 \\ 3 \\ -15 \end{pmatrix}$
  a) Zeigen Sie, dass $g$ und $h$ parallel, aber nicht identisch sind.
  b) Geben Sie eine Gleichung der Ebene an, in der die Geraden $g$ und $h$ liegen.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Gegenseitige Lage von Geraden
  Lösung zu a)
  Wenn die beiden Richtungsvektoren Vielfache voneinander sind, dann gilt $g\parallel h$ :
  $\vec u_g=\begin{pmatrix}3 \\-1\\5 \end{pmatrix}$ und $\vec u_h=\begin{pmatrix}-9 \\3\\-15 \end{pmatrix}$ $\;\Rightarrow\; \vec u_h=(-3)\cdot \vec u_g\;\Rightarrow\; g\parallel h$
  Der Aufpunkt der Geraden $g$ liegt nicht auf der Geraden $h$ , denn:
  $\begin{pmatrix}4 \\-1\\0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}4 \\-1\\1 \end{pmatrix}+r\cdot \begin{pmatrix}-9 \\3\\-15 \end{pmatrix}\;\Rightarrow\;\begin{pmatrix}0 \\0\\-1\end{pmatrix}\neq r\cdot \begin{pmatrix}-9 \\3\\-15 \end{pmatrix}$
  Die letzte Gleichung ist für kein $r$ erfüllbar.
  Antwort: Die beiden Geraden sind parallel, aber nicht identisch.
  Lösung zu b)
  Die gesuchte Ebene hat als Aufpunkt den Aufpunkt der Geraden $g$ und als einen Richtungsvektor den Richtungsvektor der Geraden $g$ . Einen zweiten Richtungsvektor der Ebene $E$ erhältst du als Differenz der beiden Aufpunkte der Geraden $g$ und $h$ .
  $E:\; \vec x= \begin{pmatrix}4 \\-1\\0\end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix}3 \\-1\\5\end{pmatrix}+s\cdot \left(\begin{pmatrix}4 \\-1\\1\end{pmatrix}-\begin{pmatrix}4 \\-1\\0\end{pmatrix}\right)=\begin{pmatrix}4 \\-1\\0\end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix}3 \\-1\\5\end{pmatrix}+s\cdot \begin{pmatrix}0 \\0\\1\end{pmatrix}$
  Antwort: Die Gleichung der Ebene $E$ lautet: $\vec x=\begin{pmatrix}4 \\-1\\0\end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix}3 \\-1\\5\end{pmatrix}+s\cdot \begin{pmatrix}0 \\0\\1\end{pmatrix}$
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Metrische Geometrie

Gegeben sind die beiden Ebenen $E$ und $F$ mit
$E: \vec{x}=\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix}+ s \cdot \begin{pmatrix} -1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}+ t\cdot \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ -2 \end{pmatrix}$ ; $s,t\in\mathbb{R}$ und
$F: x_1 – x_2 + x_3 - 1 = 0.$
a) Weisen Sie nach, dass $E$ und $F$ parallel zueinander liegen.
b) Bestimmen Sie den Abstand von $E$ und $F$ .

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Hessesche Normalenform
Lösung zu a)
Die Ebenen sind parallel zueinander, wenn die Normalenvektoren parallel zueinander sind.
$\vec a\times\vec b=\begin{pmatrix}a_2b_3-a_3b_2\\a_3b_1-a_1b_3\\a_1b_2-a_2b_1\end{pmatrix}\;\Rightarrow\;\vec n_E=\begin{pmatrix}-1\\0\\1\end{pmatrix}\times \begin{pmatrix}1\\-1\\-2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1\\-1\\1\end{pmatrix}$
Aus der Koordinatenform von der Ebene $F$ liest du den Normalenvektor ab:
$\vec n_F=\begin{pmatrix}1\\-1\\1\end{pmatrix}\;\Rightarrow\;\vec n_E=\vec n_F$
Die Ebenen sind parallel zueinander.
Lösung zu b)
Erstelle die Hessesche Normalenform der Ebene $F$ :
$F_{HNF}: \;\dfrac{ax_1+bx_2+cx_3-d}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}=0\;\Rightarrow\;\dfrac{ x_1-x_2+x_3-1}{\sqrt{3}}=0$
Setze den Aufpunkt $A(1|2|3)$ der Ebene $E$ in die Hessesche Normalenform ein, um den Abstand der beiden Ebenen zu berechnen.
$d(A,F)=\left|\dfrac{1\cdot1-1\cdot2+1\cdot3-1}{\sqrt{1^2+(-1)^2+1^2}}\right|=\left|\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right|=\dfrac{1}{\sqrt{3}}=\dfrac{1}{3}\cdot\sqrt{3}$
Antwort: Die beiden Ebenen haben einen Abstand von $\dfrac{1}{3}\cdot\sqrt{3}$ voneinander.
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Gegeben sind die Punkte $A(3|0|1),$ $B(6|2|2)$ und $C(0|3|5).$ Die Ebene $E$ enthält die Punkte $A,B$ und $C.$

a) Bestimmen Sie die Gleichung von $E$ in Normalenform und Koordinatenform.

b) Untersuchen Sie die Lage der Ebene $E$ zur Geraden $g$ mit

$g:\vec{x} = \begin{pmatrix} 4 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}+t\cdot \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}$

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Ebenen

Lösung zu a)

Für die Ebene in Parameterform gilt:

$E_{ABC}=\overrightarrow{OA}+r \cdot \left(\overrightarrow{OB}-\overrightarrow{OA}\right)+s \cdot \left(\overrightarrow{OC}-\overrightarrow{OA}\right)$

$E_{ABC}=\begin{pmatrix} 3 \\ 0\\ 1 \end{pmatrix}+r \cdot \left(\begin{pmatrix} 6 \\2\\ 2 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix} 3 \\ 0\\ 1 \end{pmatrix}\right)+s \cdot \left(\begin{pmatrix} 0 \\ 3\\ 5 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix} 3 \\ 0\\ 1 \end{pmatrix}\right)$

$E_{ABC}=\begin{pmatrix} 3 \\ 0\\ 1 \end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix} 3\\2\\1 \end{pmatrix}+s \cdot \begin{pmatrix} -3 \\ 3\\4 \end{pmatrix}$

Bei der Umrechnung der Ebenengleichung in die Normalenform muss das Kreuzprodukt der beiden Richtungsvektoren der Ebene berechnet werden.

$\vec n_E=\begin{pmatrix}3\\2\\1\end{pmatrix}\times \begin{pmatrix}-3\\3\\4\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}5\\-15\\15\end{pmatrix}$

Der Normalenvektor kann noch vereinfacht werden: $\vec n_E=\begin{pmatrix}1\\-3\\3\end{pmatrix}$

Mit dem Punkt $A(3|0|1)$ erhältst du dann die Normalenform der Ebene:

$E: \;\left(\vec x-\overrightarrow{OA}\right)\circ \vec n_E =0\;\Rightarrow\;\left(\vec x-\begin{pmatrix} 3 \\ 0\\ 1 \end{pmatrix}\right)\circ\begin{pmatrix} 1 \\ -3\\ 3 \end{pmatrix}=0$

Wird das Skalarprodukt ausmultipliziert, erhältst du die Koordinatenform der Ebenengleichung:

$E:\;x_1-3x_2+3x_3-(3+0+3)=0\;\Rightarrow\;x_1-3x_2+3x_3-6=0$

Antwort: Die Ebene in Normalenform hat die Gleichung $E:\;\left(\vec x-\begin{pmatrix} 3 \\ 0\\ 1 \end{pmatrix}\right)\circ\begin{pmatrix} 1 \\ -3\\ 3 \end{pmatrix}=0$ und in Koordinatenform lautet sie:

$E:\;x_1-3x_2+3x_3=6$

Lösung zu b)

Lageuntersuchung: $g\cap E$

Setze $g$ in $E$ ein:

$\displaystyle (4+2t)-3(t)+3(1)$	$=$	$\displaystyle 6$
	↓	Löse die Klammern auf.
$\displaystyle 4+2t-3t+3$	$=$	$\displaystyle 6$
	↓	Löse nach $t$ auf.
$\displaystyle 7-t$	$=$	$\displaystyle 6$	$\displaystyle -7$
$\displaystyle -t$	$=$	$\displaystyle -1$	$\displaystyle \cdot(-1)$
$\displaystyle t$	$=$	$\displaystyle 1$

Du hast für $t$ eine Lösung erhalten, d.h. die Gerade und die Ebene schneiden sich.

Berechnung des Schnittpunktes der Geraden mit der Ebene

Setze $t=1$ in die Geradengleichung ein: $\vec x_S=\begin{pmatrix} 4 \\ 0\\ 1 \end{pmatrix}+1 \cdot \begin{pmatrix} 2\\1\\0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}6 \\1\\ 1 \end{pmatrix}$

Antwort: Die Gerade $g$ schneidet die Ebene $E$ im Punkt $S(6|1|1)$ .

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Gegeben ist die Gerade $g$ mit $g:\vec{x} = \begin{pmatrix} 3 \\ -2 \\ 7 \end{pmatrix}+ t \cdot \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ -4 \end{pmatrix}$ ; $t\in\mathbb{R}$ und $h$ mit
$h:\vec{x} = \begin{pmatrix} 7 \\ 3 \\ 5 \end{pmatrix}+ s \cdot \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix}$ ; $s\in\mathbb{R}$
a) Zeigen Sie, dass die Geraden $g$ und $h$ orthogonal zueinander liegen.
b) Untersuchen Sie, ob sich $g$ und $h$ auch schneiden.

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Geraden
Lösung zu a)
Wenn die Geraden $g$ und $h$ orthogonal zueinander liegen sollen, dann muss das Skalarprodukt ihrer Richtungsvektoren gleich null sein.
$\vec u_g=\begin{pmatrix} 2\\ 1\\ -4 \end{pmatrix}$ und $\vec u_h=\begin{pmatrix} 1\\ 2\\ 1 \end{pmatrix}$ $\;\Rightarrow\;\vec u_g \circ \vec u_h=\begin{pmatrix} 2\\ 1\\ -4 \end{pmatrix}\circ \begin{pmatrix} 1\\ 2\\ 1 \end{pmatrix}=2+2-4=0$
Antwort: Die Geraden $g$ und $h$ liegen orthogonal zueinander.
Lösung zu b)
Lageuntersuchung:
Setze $g=h$ :
$\begin{pmatrix} 3 \\-2\\ 7 \end{pmatrix}+t \cdot \begin{pmatrix} 2\\ 1\\ -4 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 7\\ 3\\ 5 \end{pmatrix}+s\cdot \begin{pmatrix} 1\\ 2\\ 1 \end{pmatrix}$
Umgeformt erhältst du: $\begin{pmatrix} 3 \\-2\\ 7 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix} 7\\ 3\\ 5 \end{pmatrix}=s\cdot \begin{pmatrix} 1\\ 2\\ 1 \end{pmatrix}-t \cdot \begin{pmatrix} 2\\ 1\\ -4 \end{pmatrix}$ bzw.
$\begin{pmatrix} -4 \\-5\\ 2 \end{pmatrix}=s\cdot \begin{pmatrix} 1\\ 2\\ 1 \end{pmatrix}-t \cdot \begin{pmatrix} 2\\ 1\\ -4 \end{pmatrix}$
Damit ergibt sich folgendes Gleichungssystem:
$\def\arraystretch{1.25} \begin{array}{rccccccc}\mathrm{I}&s & - &2 t& = &-4 \\\mathrm{II} &2s & - & t & = & -5 \\ \mathrm{III} & s& + &4t & = & 2 \end{array} $
Mit dem Additionsverfahren wird aus den Gleichungen $\mathrm{(I)}$ und $\mathrm{(II)}$ der Parameter $s$ eliminiert.
Rechne dazu: $\mathrm{II}+(-2)\cdot\mathrm{I}$ $\;\Rightarrow\;3t=3\;\Rightarrow\;t=1$
Setze $t=1$ in Gleichung $\mathrm{(I)}$ ein $\;\Rightarrow\; s-2\cdot 1=-4\;\Rightarrow\;s=-2$
Probe in Gleichung $\mathrm{(III)}$ : $s+4t=2\;\Rightarrow\;-2+4\cdot 1=2\;\checkmark$
Zur Berechnung des Schnittpunktes setze $t=1$ in die Geradengleichung $g$ ein:
$\vec x_S=\begin{pmatrix} 3 \\ -2\\7 \end{pmatrix}+1 \cdot \begin{pmatrix} 2\\1\\-4 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}5 \\-1\\ 3 \end{pmatrix}$
Antwort: Die Geraden $g$ und $h$ schneiden sich im Punkt $S(5|-1|3)$ .
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Gegeben sind die Punkte $A(12|0|0)$ , $B(4|10|5)$ und $C (2|8|4).$
a) Zeigen Sie, dass das Dreieck $ABC$ rechtwinklig ist.
b) Berechnen Sie den Flächeninhalt des Dreiecks $ABC$ .

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Rechtwinkliges Dreieck
Lösung zu a)
Berechne die Vektoren der drei Dreiecksseiten:
$\overrightarrow{AB}=\begin{pmatrix}4\\10\\ 5 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}12 \\0\\0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-8 \\10\\5 \end{pmatrix}$
$\overrightarrow{BC}=\begin{pmatrix}2\\8\\ 4 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}4 \\10\\ 5 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-2 \\-2\\ -1 \end{pmatrix}$
$\overrightarrow{CA}=\begin{pmatrix}12 \\0\\ 0 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}2 \\8\\ 4 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}10 \\-8\\-4 \end{pmatrix}$
Betrachtest du die Längen der drei Vektoren, dann ist der Betrag des Vektors $\overrightarrow{AB}$ am größten. Der rechte Winkel muss also der Seite $\overline{\mathrm{AB}}$ gegenüber beim Punkt $C$ liegen, d.h. dann muss das Skalarprodukt $\overrightarrow{BC}\circ\overrightarrow{CA}=0$ sein.
Berechne das Skalarprodukt: $\overrightarrow{BC}\circ\overrightarrow{CA}=\begin{pmatrix}-2 \\-2\\ -1 \end{pmatrix}\circ \begin{pmatrix}10 \\-8\\-4 \end{pmatrix}=-20+16+4=0\;\checkmark$
Antwort: Das Dreieck hat im Punkt $C$ einen rechten Winkel.
Lösung zu b)
Bei einem rechtwinkligen Dreieck kann die Dreiecksfläche folgendermaßen berechnet werden:
$A=\dfrac{1}{2}\cdot\big\vert \overrightarrow{BC} \big\vert \cdot\big\vert\overrightarrow{CA}\big\vert$
$=\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{(-2)^2+(-2)^2+(-1)^2}\cdot\sqrt{10^2+(-8)^2+(-4)^2}$
$=\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{9}\cdot\sqrt{180}$
$=\dfrac{3}{2}\cdot\sqrt{180}$
$=\dfrac{3}{2}\cdot6 \cdot \sqrt{5}$
$=9\cdot\sqrt{5}$
Antwort: Das Dreieck hat einen Flächeninhalt von $9\cdot\sqrt{5}\;\text{FE}$ .
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Gegeben sind die Punkte $A(1|3|0), B(3|7|-4)$ und $C(2|8|1)$ .
Berechnen Sie den Flächeninhalt des Dreiecks $ABC$ .

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Flächeninhalt Dreieck
Flächenberechnung Möglichkeit 1
Für ein beliebiges Dreieck gilt die folgende Flächenformel:
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot|\vec{a}\times\vec{b}|$
$\vec{a}=\overrightarrow{AB}=\begin{pmatrix}3\\7\\ -4 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}1 \\3\\ 0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2 \\4\\ -4 \end{pmatrix}$
$\vec{b}=\overrightarrow{AC}=\begin{pmatrix}2\\8\\ 1 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}1 \\3\\ 0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1 \\5\\ 1 \end{pmatrix}$
Eingesetzt in die Flächenformel:
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot\Big\vert\begin{pmatrix}2 \\4\\ -4 \end{pmatrix}\times \begin{pmatrix}1 \\5\\ 1 \end{pmatrix}\Big\vert=\dfrac{1}{2}\cdot \Big\vert\begin{pmatrix}24 \\-6\\ 6 \end{pmatrix}\Big\vert$
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot \sqrt{24^2+(-6)^2+6^2}=\dfrac{1}{2}\cdot \sqrt{648}=9\cdot \sqrt{2}$
Antwort: Das Dreieck hat einen Flächeninhalt von $9\cdot\sqrt{2}\;\text{FE}$ .
Flächenberechnung Möglichkeit 2
Für ein beliebiges Dreieck gilt die folgende Flächenformel:
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{\vec{a}^2\cdot\vec{b}^2-(\vec{a}\circ\vec{b})^2}$
$\vec{a}=\overrightarrow{AB}=\begin{pmatrix}3\\7\\ -4 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}1 \\3\\ 0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2 \\4\\ -4 \end{pmatrix}$
$\vec{b}=\overrightarrow{AC}=\begin{pmatrix}2\\8\\ 1 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}1 \\3\\ 0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1 \\5\\ 1 \end{pmatrix}$
Eingesetzt in die Flächenformel:
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{\begin{pmatrix}2 \\4\\ -4 \end{pmatrix} ^2\cdot\begin{pmatrix}1 \\5\\ 1 \end{pmatrix}^2-\left(\begin{pmatrix}2 \\4\\ -4 \end{pmatrix}\circ\begin{pmatrix}1 \\5\\ 1 \end{pmatrix}\right)^2}$
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{(4+16+16)\cdot(1+25+1)-(2+20-4)^2}$
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{36\cdot 27-18^2}=\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{648}=\dfrac{1}{2}\cdot 18\cdot\sqrt{2}=9\cdot\sqrt{2}$
Antwort: Das Dreieck hat einen Flächeninhalt von $9\cdot\sqrt{2}\;\text{FE}$ .
Flächenberechnung Möglichkeit 3
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot \big\vert \overrightarrow{AB} \big\vert\cdot h_C$
Dabei ist $h_C$ der Abstand des Punktes $C$ von der Geraden durch die Punkte $A$ und $B$ . Diesen Abstand kannst du mit dem Lotfußpunktverfahren berechnen.
Erstelle eine Hilfsebene $H$ durch $C(2|8|1)$ mit dem Normalenvektor $\vec n_H=\overrightarrow{AB}=\begin{pmatrix}2 \\4\\ -4 \end{pmatrix}$ .
$H: \;\left(\vec x-\begin{pmatrix} 2 \\8\\ 1 \end{pmatrix}\right)\circ\begin{pmatrix} 2 \\4\\ -4 \end{pmatrix}=0$ bzw.
$H:\;2x_1+4x_2-4x_3-(4+32-4)=0$
$\;\Rightarrow\;H:\;2x_1+4x_2-4x_3-32=0$
Die Gerade durch die Punkte $A$ und $B$ hat die Gleichung
$g:\;\vec x=\begin{pmatrix}1 \\3\\ 0 \end{pmatrix}+r\cdot \begin{pmatrix}2 \\4\\ -4 \end{pmatrix}$
Schneide die Gerade $g$ mit der Hilfsebene $H:\;2x_1+4x_2-4x_3-32=0$
$2\cdot(1+2r)+4\cdot(3+4r)-4\cdot(-4r)-32=0$
$2+4r+12+16r+16r-32=0\;\Rightarrow\;36r-18=0\;\Rightarrow\;r=\dfrac{1}{2}$
Setze $r=\dfrac{1}{2}$ in $g$ ein:
$\vec x_F=\begin{pmatrix}1 \\3\\ 0 \end{pmatrix}+\dfrac{1}{2}\cdot \begin{pmatrix}2 \\4\\ -4 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2 \\5\\ -2 \end{pmatrix}$
Der Lotfußpunkt hat die Koordinaten $F(2|5|-2)$ .
$\overrightarrow{FC}=\begin{pmatrix}2 \\8\\ 1 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}2 \\5\\ -2 \end{pmatrix} =\begin{pmatrix}0 \\3\\ 3 \end{pmatrix}$
$h_C=\big\vert \overrightarrow{FC} \big\vert=\sqrt{0^2+3^2+3^2}=\sqrt{18}=3\cdot\sqrt{2}$
$\Big\vert\overrightarrow{AB}\Big\vert=\Big\vert\begin{pmatrix}2 \\4\\ -4 \end{pmatrix}\Big\vert=\sqrt{2^2+4^2+(-4)^2}=\sqrt{36}=6$
Eingesetzt in die Flächenformel:
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot \big\vert \overrightarrow{AB} \big\vert\cdot h_C=\dfrac{1}{2}\cdot 6\cdot3\cdot\sqrt{2}=9\cdot\sqrt{2}$
Antwort: Das Dreieck hat einen Flächeninhalt von $9\cdot\sqrt{2}\;\text{FE}$ .
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Gegeben sind die Punkte $A(-7|0|1), B(-5|3|1)$ und $C(-4|0|-1)$ .
a) Zeigen Sie, dass das Dreieck $ABC$ gleichschenklig ist.
b) Das Dreieck $ABC$ lässt sich so durch einen Punkt $P$ ergänzen, dass eine Raute entsteht. Bestimmen Sie die Koordinaten von $P$ .
c) Berechnen Sie den Flächeninhalt des Dreiecks $ABC$ .

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Gleichschenkliges Dreieck
Lösung zu a)
Berechne die Beträge der Vektoren $\overrightarrow{AB}$ , $\overrightarrow{BC}$ und $\overrightarrow{AC}$
$\overrightarrow{AB}=\begin{pmatrix}-5\\3\\ 1 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}-7 \\0\\ 1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2 \\3\\0 \end{pmatrix}$
$\;\Rightarrow\;\Big\vert\overrightarrow{AB}\Big\vert=\Big\vert\begin{pmatrix}2 \\3\\ 0\end{pmatrix}\Big\vert=\sqrt{2^2+3^2+0^2}=\sqrt{13}$
$\overrightarrow{BC}=\begin{pmatrix}-4\\0\\ -1 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}-5\\3\\ 1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1 \\-3\\-2\end{pmatrix}$
$\;\Rightarrow\;\Big\vert\overrightarrow{BC}\Big\vert=\Big\vert\begin{pmatrix}1\\-3\\-2\end{pmatrix}\Big\vert=\sqrt{1^2+(-3)^2+(-2)^2}=\sqrt{14}$
$\overrightarrow{AC}=\begin{pmatrix}-4\\0\\ -1 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}-7\\0\\ 1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}3 \\0\\-2\end{pmatrix}$
$\;\Rightarrow\;\Big\vert\overrightarrow{AC}\Big\vert=\Big\vert\begin{pmatrix}3 \\0\\-2\end{pmatrix}\Big\vert=\sqrt{3^2+0^2+(-2)^2}=\sqrt{13}$
$\Big\vert\overrightarrow{AB}\Big\vert=\Big\vert\overrightarrow{AC}\Big\vert\neq\Big\vert\overrightarrow{BC}\Big\vert$ , d.h. das Dreieck ist gleichschenklig, mit der Basis $[BC]$ .
Lösung zu b)
$[BC]$ ist die Basis des gleichschenkligen Dreiecks, d.h. der Punkt $P$ muss $A$ gegenüberliegen; siehe Skizze.
Du kannst die folgende Vektorgleichung aufstellen, um $P$ zu berechnen.
$\overrightarrow{OP}=\overrightarrow{OC}+\overrightarrow{AB}=\begin{pmatrix}-4\\0\\ -1 \end{pmatrix}+\begin{pmatrix}2 \\3\\0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-2 \\3\\-1 \end{pmatrix}$
Der Punkt $P$ hat die Koordinaten $P(-2|3|-1)$ .
Lösung zu c)
Flächenberechnung Möglichkeit 1
Für ein beliebiges Dreieck gilt die folgende Flächenformel:
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot|\vec{a}\times\vec{b}|$
$\vec{a}=\overrightarrow{AB}=\begin{pmatrix}-5\\3\\ 1 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}-7 \\0\\ 1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2 \\3\\0 \end{pmatrix}$
$\vec{b}=\overrightarrow{AC}=\begin{pmatrix}-4\\0\\ -1 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}-7\\0\\ 1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}3 \\0\\-2\end{pmatrix}$
Eingesetzt in die Flächenformel:
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot\Big\vert\begin{pmatrix}2 \\3\\0 \end{pmatrix}\times \begin{pmatrix}3 \\0\\-2\end{pmatrix}\Big\vert=\dfrac{1}{2}\cdot \Big\vert\begin{pmatrix}-6 \\4\\ -9 \end{pmatrix}\Big\vert$
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot \sqrt{(-6)^2+4^2+(-9)^2}=\dfrac{1}{2}\cdot \sqrt{133}$
Antwort: Das Dreieck hat einen Flächeninhalt von $\dfrac{1}{2}\cdot \sqrt{133}\;\text{FE}$ .
Flächenberechnung Möglichkeit 2
Für ein beliebiges Dreieck gilt die folgende Flächenformel:
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{\vec{a}^2\cdot\vec{b}^2-(\vec{a}\circ\vec{b})^2}$
$\vec{a}=\overrightarrow{BC}=\begin{pmatrix}-4\\0\\ -1 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}-5\\3\\ 1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1 \\-3\\-2\end{pmatrix}$
$\vec{b}=\overrightarrow{AC}=\begin{pmatrix}-4\\0\\ -1 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}-7\\0\\ 1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}3 \\0\\-2\end{pmatrix}$
Eingesetzt in die Flächenformel:
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{\begin{pmatrix}1 \\-3\\-2\end{pmatrix} ^2\cdot\begin{pmatrix}3 \\0\\-2\end{pmatrix}^2-\left(\begin{pmatrix}1 \\-3\\-2\end{pmatrix}\circ\begin{pmatrix}3 \\0\\-2\end{pmatrix}\right)^2}$
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{(1+9+4)\cdot(9+0+4)-(3+0+4)^2}$
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{14\cdot 13-7^2}=\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{133}$
Antwort: Das Dreieck $ABC$ hat einen Flächeninhalt von $\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{133}\;\text{FE}$
Flächenberechnung Möglichkeit 3
Für ein beliebiges Dreieck gilt die folgende Flächenformel:
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot \Big\vert \overrightarrow{BC} \Big\vert\cdot h$
Berechne h:
Berechne den Mittelpunkt $M_a$ der Strecke $[CB]$ .
$\overrightarrow{OM_a}=\frac{1}{2}\cdot(\overrightarrow{OC}+\overrightarrow{OB})$
$\overrightarrow{OM_a}=\frac{1}{2}\cdot\left(\begin{pmatrix}-4\\0\\ -1\end{pmatrix}+\begin{pmatrix}-5\\3\\ 1 \end{pmatrix}\right)=\begin{pmatrix}-\frac{9}{2}\\[1ex]\frac{3}{2}\\[1ex] 0 \end{pmatrix}$
$\overrightarrow{AM_a}=\begin{pmatrix}-\frac{9}{2}\\[1ex]\frac{3}{2}\\[1ex] 0 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix}-7\\[1ex]0\\[1ex] 1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\frac{5}{2}\\[1ex]\frac{3}{2}\\[1ex]-1 \end{pmatrix}$
$h=\Big\vert\overrightarrow{AM_a}\Big\vert=\sqrt{\left(\dfrac{5}{2}\right)^2+\left(\dfrac{3}{2}\right)^2+(-1)^2}=\sqrt{\dfrac{38}{4}}=\sqrt{\dfrac{19}{2}}$
Der Betrag vom Vektor $\overrightarrow{BC}$ wurde unter a) berechnet: $\Big\vert\overrightarrow{BC}\Big\vert=\sqrt{14}$
Eingesetzt in die Flächenformel:
$A_{\triangle}=\dfrac{1}{2}\cdot \Big\vert \overrightarrow{BC} \Big\vert\cdot h =\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{14} \cdot\sqrt {\dfrac{19}{2}} =\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{133} $
Antwort: Das Dreieck $ABC$ hat einen Flächeninhalt von $\dfrac{1}{2}\cdot\sqrt{133}\;\text{FE}$ .
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Stochastik

Ein Auto hat einen Wert von 30000€ und soll von eine Versicherung jährlich gegen Schäden versichert werden.
Die Autoversicherung erwartet, dass bei 10000 versicherten Autos des gleichen Typs pro Jahr folgende Schadensfälle passieren:
- 10 Versicherungsfälle mit einem Totalschaden,
- 50 Versicherungsfälle mit einem durchschnittlichen Schaden von 10000€,
- 250 kleinere Schäden mit einem durchschnittlichen Schaden von 2000€.
Berechnen Sie, welchen Versicherungsbeitrag die Versicherung jährlich anbieten sollte, wenn Sie pro Kunden einen Gewinn von 100 € (ohne Verwaltungskosten) erwirtschaften möchte.

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Erwartungswert
Berechne den Erwartungswert:
$E(X)=x_1\cdot P(X=x_1)+x_2\cdot P(X=x_2)+⋯+x_n\cdot P(X=x_n)$
$E(X)=30000\cdot \dfrac{10}{10000}+10000\cdot \dfrac{50}{10000}+2000\cdot \dfrac{250}{10000}=30+50+50=130$
Der Jahresbeitrag pro Kunde berechnet sich als Summe der mittleren Schadensfälle $E(X)$ und dem zu erwirtschafteten Gewinn $G= 100\;€$ .
Jahresbeitag $=130\;€+100\;€=230\;€$
Antwort: Pro Versicherungskunde muss ein Jahresbeitrag von $230 \;€$ verlangt werden.
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Ein Biathlet trifft erfahrungsgemäß bei 80% seiner Schüsse die Scheibe.
a) Berechnen Sie, mit welcher Wahrscheinlichkeit er bei drei Schüssen
- nur den mit dem ersten Schuss
- mindestens einen Schuss trifft.
b) Für ein Ereignis $A$ gilt: $P(A)= \begin{pmatrix} 10 \\ a \end{pmatrix} \cdot b⁷ \cdot 0{,}2^{c}$ . Geben Sie geeignete Werte für $a$ , $b$ und $c$ an. Beschreiben Sie das Ereignis $A$ in Worten.

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Binomialkoeffizienten
Lösung zu a)
Treffer= $T$ ; kein Treffer (Niete)= $N$ ; $P(T)=0{,}8$ und $P(N)=1-P(T)=1-0{,}8=0{,}2$
Er trifft nur mit dem ersten Schuss: $P(TNN)=0{,}8\cdot 0{,}2\cdot 0{,}2=0{,}032$
Mindestens $1$ Schuss trifft:
$P(\text{mindestens 1 Treffer})=1-P(\text{kein Treffer})=1-0{,}2^3=1-0{,}008=0{,}992$
Antwort: Die Wahrscheinlichkeit nur mit dem $1.$ Schuss zu treffen beträgt $0{,}032$ und die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens $1$ Schuss trifft, beträgt $0{,}992$ .
Lösung zu b)
Willst du die Wahrscheinlichkeit von $k$ Treffern eines Ereignisses mit der Wahrscheinlichkeit $p$ in einer Bernoulli-Kette der Länge $n$ berechnen, dann benutzt du den Binomialkoeffizienten: $B(n,p,k)=\binom nk\cdot p^k\cdot (1-p)^{n-k}$
Vergleichst du die gegebene Wahrscheinlichkeit $P(A)=\binom {10} a\cdot b^7\cdot0{,}2^c$ für das Ereignis $A$ mit dem Binomialkoeffizienten $B(n,p,k)$ , dann ist $n=10$ , $a=k=7$ . Wegen $1-p=0{,}2$ ist $b=p=0{,}8$ . Außerdem ist $c=n-k=10-7=3$ .
Antwort: Das Ereignis $A$ lautet demnach: Bei $10$ Schussversuchen werden genau $7$ Treffer erzielt.
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Ein Chuck-your-luck ist ein Würfelspiel aus Amerika. Der Spieler setzt einen Dollar und würfelt dann dreimal. Für jede Sechs erhält er von der Bank einen Dollar.

a) Die Zufallsvariable $X$ soll den Gewinn des Spielers angeben. Geben Sie die möglichen Werte von $X$ und ihre jeweilige Wahrscheinlichkeit an.

b) Untersuchen Sie, ob das Spiel fair ist.

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Erwartungswert

Lösung zu a)

Wird keine $6$ gewürfelt, verliert der Spieler seinen Einsatz $1$ $ $\; \Rightarrow\; x_1=-1$

Wird eine $6$ gewürfelt, gewinnt der Spieler seinen Einsatz $1$ $ $\; \Rightarrow\; x_2=0$

Werden zwei $6$ er gewürfelt, gewinnt der Spieler $1$ $ $\; \Rightarrow\; x_3=1$

Werden drei $6$ er gewürfelt, gewinnt der Spieler $2$ $ $\; \Rightarrow\; x_4=2$

Die dazugehörigen Wahrscheinlichkeiten sind in der Tabelle angegeben.

Zufallsvariable $x_i$	$P(X= x_i)$
$-1$	$\left(\frac{5}{6}\right)^3=\frac{125}{216}$
$0$	$\binom 3 1\cdot\frac{1}{6}\cdot \left(\frac{5}{6}\right)^2=\frac{75}{216}$
$1$	$\binom 3 2\cdot\left(\frac{1}{6}\right)^2\cdot \left(\frac{5}{6}\right)^1=\frac{15}{216}$
$2$	$\left(\frac{1}{6}\right)^3=\frac{1}{216}$

Lösung zu b)

Berechne den Erwartungswert:

$E(X)=x_1\cdot P(X=x_1)+x_2\cdot P(X=x_2)+⋯+x_n\cdot P(X=x_n)$

$E(X)=(-1)\cdot \dfrac{125}{216}+0\cdot \dfrac{75}{216}+1\cdot \dfrac{15}{216}+2\cdot \dfrac{1}{216}=- \dfrac{108}{216}=-0{,}5$

Antwort: Der Spieler verliert im Mittel $0{,}5$ $ pro Spiel. Es ist kein faires Spiel.

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Auf einem Tisch liegen verdeckt $4$ Kreuz-Karten und $n$ Herz-Karten.Es werden zwei Karten aufgedeckt.

Berechnen Sie, für welche Werte von $n$ die Wahrscheinlichkeit, dass unter den aufgedeckten Karten genau eine Herzkarte ist, gleich $\dfrac{8}{15}$ ist.

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Baumdiagramm

Es werden zwei Karten umgedreht. Dabei soll gelten: $P(1\;\text{Herz})=\dfrac{8}{15}$

Erstelle ein Baumdiagramm.

Die Zahl der Herzkarten ist gleich $n.$

Dann gilt für die Wahrscheinlichkeit: $P(1\;\text{Herz})=P(\text{K H})+P(\text{H K})=\dfrac{8}{15}$

Aus dem Baumdiagramm können die Wahrscheinlichkeiten für die zwei Pfade $P(\text{K H})$ und $P(\text{H K}$ ) abgelesen werden.

$\displaystyle \dfrac{4}{4+n}\cdot\dfrac{n}{3+n}+\dfrac{n}{4+n}\cdot\dfrac{4}{3+n}$	$=$	$\displaystyle \dfrac{8}{15}$
	↓	Addiere die Brüche.
$\displaystyle \dfrac{8n}{(4+n)\cdot(3+n)}$	$=$	$\displaystyle \dfrac{8}{15}$	$\displaystyle \cdot \dfrac{15}{8}$
$\displaystyle \dfrac{15n}{(4+n)\cdot(3+n)}$	$=$	$\displaystyle 1$	$\displaystyle \cdot (4+n)\cdot(3+n)$
$\displaystyle 15n$	$=$	$\displaystyle (4+n)\cdot(3+n)$
	↓	Löse die Klammer auf.
$\displaystyle 15n$	$=$	$\displaystyle 12+4n+3n+n^2$	$\displaystyle -15n$
$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle n^2-8n+12$

Du hast eine quadratische Gleichung erhalten. Diese kannst du nun mit der Mitternachtsformel (abc-Formel) oder pq-Formel lösen.

Hier erfolgt die Lösung mit der pq-Formel. Lies die Werte für $p$ und $q$ ab: $p=-8$ und $q=12$

$\displaystyle n_{1{,}2}$	$=$	$\displaystyle -\dfrac{p}{2}\pm\sqrt{\left(\dfrac{p}{2}\right)^2-q}$
	↓	Setze $p=-8$ und $q=12$ ein.
	$=$	$\displaystyle -\dfrac{(-8)}{2}\pm\sqrt{\left(\dfrac{-8}{2}\right)^2-12}$
	↓	Vereinfache.
	$=$	$\displaystyle 4\pm\sqrt{16-12}$
	$=$	$\displaystyle 4\pm\sqrt{4}$
	$=$	$\displaystyle 4\pm2$
$\displaystyle n_1$	$=$	$\displaystyle 2$
$\displaystyle n_2$	$=$	$\displaystyle 6$

Antwort: Befinden sich entweder $2$ oder $6$ Herzkarten im Stapel, so ist die Wahrscheinlichkeit, dass unter den zwei aufgedeckten Karten genau eine Herzkarte ist, gleich $\dfrac{8}{15}$ .

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In einem Behälter befinden sich $2$ weiße und $3$ schwarze Kugeln. Es werden $2$ Kugeln mit Zurücklegen gezogen.

a) Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens eine der beiden Kugeln weiß ist.

b) Berechnen Sie, wie viele weiße Kugeln sich in dem Behälter befinden müssten, damit die Wahrscheinlichkeit, mindestens eine weiße Kugel zu ziehen, $0{,}91$ betragen hätte.

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schule-bw.de (Gilt für: Aufgabenstellung)Dieses Werk steht unter der freien Lizenz CC BY 4.0 mit Namensnennung Landesbildungsserver Baden-Württemberg
Beschreiben, Verstehen, Begründen
1. Gegeben sind zwei zueinander parallele Ebenen $E_1$ und $E_2$ . Die Ebene $F$ ist parallel zu $E_1$ und $E_2$ und hat von beiden Ebenen den gleichen Abstand.
  Beschreiben Sie ein Verfahren, mit dem man eine Gleichung der Ebene $F$ bestimmen kann.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Normalenform
  1. Wähle einen beliebigen Punkt $P_1\in E_1$ .
  2. Wähle einen beliebigen Punkt $P_2\in E_2$ .
  3. Berechne den Mittelpunkt $M$ der Strecke $[P_1P_2]$ .
  $\overrightarrow{OM}=\dfrac{1}{2}\cdot(\overrightarrow{OP_1}+\overrightarrow{OP_2})$
  4. Nimm von den Ebenen $E_1$ oder $E_2$ einen der beiden Normalenvektoren z.B. $\vec n_{E_1}$ .
  5. Setze in die Normalenform ein:
  $F: \;\left(\vec x-\overrightarrow{OM}\right)\circ \vec n_{E_1} =0$ .
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2. Gegeben ist eine Ebene $E$ . Gesucht ist eine zu $E$ parallele Ebene $F$ im
  Abstand 3.
  Beschreiben Sie ein Verfahren, mit dem man eine Gleichung der Ebene $F$ bestimmen kann.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Normalenform
  Gegeben $E:\;ax_1+bx_2+cx_3-d=0$
  $\;\Rightarrow\;\vec{n_E} =\begin{pmatrix}a\\b\\c\end{pmatrix}$
  Der dazugehörende Normaleneinheitsvektor ist dann:
  $\overrightarrow{n_E^0} =\dfrac{1}{\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}}\cdot \begin{pmatrix}a\\b\\c\end{pmatrix}$
  Finde einen Punkt $Q\in E$ . Dann führt die Vektorgleichung $\overrightarrow{OP}=\overrightarrow{OQ}+3\cdot\overrightarrow{n_E^0}$ zu einem Punkt $P \in F$ .
  Da $F\parallel E$ ist $\vec{n_F} =\vec{n_E}$ . Mit dem Punkt $P$ kann die Gleichung der Ebene $F$ in Normalenform angegeben werden.
  $F: \;\left(\vec x-\overrightarrow{OP}\right)\circ \vec n_{E} =0$
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3. Die vier Punkte $A, B, C$ und $D$ bilden ein Parallelogramm im Raum. Des Weiteren ist ein Punkt $P$ gegeben.
  Beschreiben Sie ein Verfahren, um festzustellen ob der Punkt $P$ im Parallelogramm $ABCD$ liegt.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Parameterform der Ebene
  Erstelle eine Parameterform der Ebene $E$ , in der das Parallelogramm liegt.
  $E:\;\vec x=\overrightarrow{OA}+r\cdot\overrightarrow{AB}+s\cdot\overrightarrow{AD}$
  Prüfe, ob $P\in E$ ?
  $\mathrm{(I)}\;\overrightarrow{OP}=\overrightarrow{OA}+r\cdot\overrightarrow{AB}+s\cdot\overrightarrow{AD}$
  1. Gleichung $\mathrm{(I)}$ hat keine Lösung, dann gilt $P\notin E$ und $P\notin \Box$ .
  2. Gleichung $\mathrm{(I)}$ hat eine Lösung, dann gilt $P\in E$ und $P\in \Box$ , wenn die Bedingung $0\leq r,s\leq1$ erfüllt ist.
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4. Skizzieren Sie das Schaubild einer Funktion $f$ mit folgenden Eigenschaften:
  $f(x)\gt0, f'(x)\gt0$ und $f''(x)\lt0$
  Begründen Sie: Ist $f''(x)\lt0$ , so ist das Schaubild von $f$ eine Rechtskurve.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Kurvendiskussion
  Lösung zu a)
  Das Schaubild der Funktion kann z.B. so wie in der Abbildung aussehen.
  Es hat folgende Eigenschaften:
  $f(x)>0$ (alle Funktionswerte liegen oberhalb der $x$ -Achse)
  $f'(x)>0$ (die Steigung ist immer positiv)
  $f''(x)<0$ (Der Graph ist rechtsgekrümmt)
  Lösung zu b)
  Es gilt: $f''(x)<0\Leftrightarrow(f'(x))'<0\;\Rightarrow\; f'(x)$ ist streng monoton fallend. Fällt die Steigung eines Funktionsgraphen permanent, dann ist der Graph rechtsgekrümmt.
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5. Für ein Ereignis $A$ bei der mehrmaligen Durchführung eines Bernoulli-Experimentes gilt
  $P\left(A\right)=1-\begin{pmatrix} \begin{pmatrix} 15 \\ 13 \end{pmatrix} \cdot 0{,}6^{13} \cdot 0{,}4^{2}+15 \cdot 0{,}6^{14} \cdot 0{,}4+ 0{,}6^{15}\end{pmatrix}$
  Beschreiben Sie das Ereignis $A$ in Worten.
  
  Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Bernoulli-Experiment
  Gegeben ist: $P(A)=1-(P(X=13)+P(X=14)+P(X=15))$
  Es handelt sich um ein Bernoulli-Experiment, das $15$ -mal durchgeführt wird ( $n=15$ ). Dabei ist die Erfolgswahrscheinlichkeit $p=0{,}6$ und $q=1-p=0{,}4$ .
  Ereignis $A$ : Es gibt höchstens $12$ Erfolge bei $15$ Wiederholungen.
  (andere Formulierung: Es gibt weniger als $13$ Erfolge bei $15$ Wiederholungen)
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CC BY-SA 4.0 → Was bedeutet das?

$\displaystyle 2x² – 50$	$=$	$\displaystyle 0$	$\displaystyle +50$
	↓	Löse nach $x^2$ auf.
$\displaystyle 2x^2$	$=$	$\displaystyle 50$	$\displaystyle :2$
$\displaystyle x^2$	$=$	$\displaystyle 25$	$\displaystyle \sqrt{}$
$\displaystyle x_1$	$=$	$\displaystyle -5$
$\displaystyle x_2$	$=$	$\displaystyle 5$

$\displaystyle (e^{-x} - 3 )^2$	$=$	$\displaystyle 4$	$\displaystyle \sqrt{}$
$\displaystyle e^{-x} - 3$	$=$	$\displaystyle -2$
$\displaystyle e^{-x} - 3$	$=$	$\displaystyle +2$

$\displaystyle \dfrac{2}{x²} +\dfrac{1}{x}$	$=$	$\displaystyle 1$	$\displaystyle \cdot x^2$
	↓	Multipliziere mit dem Hauptnenner $x^2$ .
$\displaystyle 2+x$	$=$	$\displaystyle x^2$	$\displaystyle -2-x$
	↓	Bringe alle Terme auf eine Seite.
$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle x^2-x-2$

$\displaystyle \dfrac{1}{(1-x)^2}$	$=$	$\displaystyle \dfrac{1}{(1+x)^2}$	$\displaystyle \cdot (1+x)^2$
	↓	Beseitige die Nenner.
$\displaystyle \dfrac{(1+x)^2}{(1-x)^2}$	$=$	$\displaystyle 1$	$\displaystyle \cdot (1-x)^2$
$\displaystyle (1+x)^2$	$=$	$\displaystyle (1-x)^2$
	↓	Löse die Klammern auf.
$\displaystyle 1+2x+x^2$	$=$	$\displaystyle 1-2x+x^2$	$\displaystyle -x^2$
$\displaystyle 1+2x$	$=$	$\displaystyle 1-2x$	$\displaystyle +2x-1$
$\displaystyle 4x$	$=$	$\displaystyle 0$	$\displaystyle :4$
$\displaystyle x$	$=$	$\displaystyle 0$

$\displaystyle \left(\dfrac{3}{n+3}\right)^2$	$=$	$\displaystyle 0{,}09$
	↓	Berechne das Quadrat.
$\displaystyle \dfrac{9}{(n+3)^2}$	$=$	$\displaystyle 0{,}09$	$\displaystyle \cdot (n+3)^2$
$\displaystyle 9$	$=$	$\displaystyle 0{,}09\cdot (n+3)^2$	$\displaystyle :0{,}09$
$\displaystyle 100$	$=$	$\displaystyle (n+3)^2$	$\displaystyle \sqrt{}$
$\displaystyle \pm10$	$=$	$\displaystyle n+3$	$\displaystyle -3$
$\displaystyle \pm 10-3$	$=$	$\displaystyle n$
$\displaystyle n_1$	$=$	$\displaystyle -13$
	↓	Die negative Lösung entfällt.
$\displaystyle n_2$	$=$	$\displaystyle 7$

$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle x^5 + 2x^3- 3x$
	↓	Klammere $x$ aus.
$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle x(x^4+2x^2-3)$
	↓	Wende den Satz vom Nullprodukt an.
$\displaystyle x_1$	$=$	$\displaystyle 0$
$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle x^4+2x^2-3$
	↓	Substituiere $x^2=z$ .
$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle z^2+2z-3$

$\displaystyle z_{1{,}2}$	$=$	$\displaystyle -\dfrac{p}{2}\pm\sqrt{\left(\dfrac{p}{2}\right)^2-q}$
	↓	Setze $p=2$ und $q=-3$ ein.
	$=$	$\displaystyle -\dfrac{2}{2}\pm\sqrt{\left(\dfrac{2}{2}\right)^2-(-3)}$
	↓	Vereinfache.
	$=$	$\displaystyle -1\pm\sqrt{1+3}$
	$=$	$\displaystyle -1\pm2$
$\displaystyle z_1$	$=$	$\displaystyle -3$
$\displaystyle z_2$	$=$	$\displaystyle 1$

$\displaystyle e^{2x} – 7$	$=$	$\displaystyle 0$	$\displaystyle +7$
	↓	Löse nach $x$ auf.
$\displaystyle e^{2x}$	$=$	$\displaystyle 7$	$\displaystyle \ln$
$\displaystyle \ln(e^{2x})$	$=$	$\displaystyle \ln(7)$
$\displaystyle 2x$	$=$	$\displaystyle \ln(7)$	$\displaystyle :2$
$\displaystyle x_3$	$=$	$\displaystyle \dfrac{1}{2}\cdot\ln(7)$

$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle e^x+3-10\cdot e^{-x}$	$\displaystyle \cdot e^x$
	↓	Multipliziere mit $e^x$ .
$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle e^{2x}+3\cdot e^{x}-10$
	↓	Substituiere $e^x=z$ .
$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle z^2+3z-10$

$\displaystyle z_{1{,}2}$	$=$	$\displaystyle -\dfrac{p}{2}\pm\sqrt{\left(\dfrac{p}{2}\right)^2-q}$
	↓	Setze $p=3$ und $q=-10$ ein.
	$=$	$\displaystyle -\dfrac{3}{2}\pm\sqrt{\left(\dfrac{3}{2}\right)^2-(-10)}$
	↓	Vereinfache.
	$=$	$\displaystyle -\dfrac{3}{2}\pm\sqrt{\dfrac{9}{4}+10}$
	$=$	$\displaystyle -\dfrac{3}{2}\pm\sqrt{\dfrac{49}{4}}$
	$=$	$\displaystyle -\dfrac{3}{2}\pm\dfrac{7}{2}$
$\displaystyle z_1$	$=$	$\displaystyle -5$
$\displaystyle z_2$	$=$	$\displaystyle 2$

$\displaystyle e^{-x}-3$	$=$	$\displaystyle -2$	$\displaystyle +3$
	↓	Löse nach $x$ auf.
$\displaystyle e^{-x}$	$=$	$\displaystyle 1$	$\displaystyle \ln$
$\displaystyle -x$	$=$	$\displaystyle \ln(1)$
	↓	$\ln(1)=0$ .
$\displaystyle x$	$=$	$\displaystyle 0$

$\displaystyle (\sin(x))^2- 2\sin(x)$	$=$	$\displaystyle 3$	$\displaystyle -3$
$\displaystyle (\sin(x))^2- 2\sin(x) -3$	$=$	$\displaystyle 0$
	↓	Setze $\sin(x)$ =z.
$\displaystyle z^2-2z-3$	$=$	$\displaystyle 0$

$\displaystyle z_{1{,}2}$	$=$	$\displaystyle -\dfrac{p}{2}\pm\sqrt{\left(\dfrac{p}{2}\right)^2-q}$
	↓	Setze $p=-2$ und $q=-3$ ein.
	$=$	$\displaystyle -\dfrac{(-2)}{2}\pm\sqrt{\left(\dfrac{-2}{2}\right)^2-(-3)}$
	↓	Vereinfache.
	$=$	$\displaystyle 1\pm\sqrt{1+3}$
	$=$	$\displaystyle 1\pm2$
$\displaystyle z_1$	$=$	$\displaystyle -1$
$\displaystyle z_2$	$=$	$\displaystyle 3$

$\displaystyle x_{1{,}2}$	$=$	$\displaystyle -\dfrac{p}{2}\pm\sqrt{\left(\dfrac{p}{2}\right)^2-q}$
	↓	Setze $p=-1$ und $q=-2$ ein.
	$=$	$\displaystyle -\dfrac{(-1)}{2}\pm\sqrt{\left(\dfrac{-1}{2}\right)^2-(-2)}$
	↓	Vereinfache.
	$=$	$\displaystyle \dfrac{1}{2}\pm\sqrt{\dfrac{1}{4}+2}$
	$=$	$\displaystyle \dfrac{1}{2}\pm\sqrt{\dfrac{9}{4}}$
	$=$	$\displaystyle \dfrac{1}{2}\pm\dfrac{3}{2}$
$\displaystyle x_1$	$=$	$\displaystyle -1$
$\displaystyle x_2$	$=$	$\displaystyle 2$

$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle 1 −\dfrac{5}{e^{x}}+\dfrac{4}{e^{2x}}$	$\displaystyle \cdot e^{2x}$
	↓	Multipliziere mit dem Hauptnenner $e^{2x}$ .
$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle e^{2x}-5e^{x}+4$
	↓	Substituiere $e^x=z$ .
$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle z^2-5z+4$

$\displaystyle z_{1{,}2}$	$=$	$\displaystyle -\dfrac{p}{2}\pm\sqrt{\left(\dfrac{p}{2}\right)^2-q}$
	↓	Setze $p=-5$ und $q=4$ ein.
	$=$	$\displaystyle -\dfrac{(-5)}{2}\pm\sqrt{\left(\dfrac{-5}{2}\right)^2-4}$
	↓	Vereinfache.
	$=$	$\displaystyle \dfrac{5}{2}\pm\sqrt{\dfrac{25}{4}-4}$
	$=$	$\displaystyle \dfrac{5}{2}\pm\sqrt{\dfrac{9}{4}}$
	$=$	$\displaystyle \dfrac{5}{2}\pm\dfrac{3}{2}$
$\displaystyle z_1$	$=$	$\displaystyle 1$
$\displaystyle x_2$	$=$	$\displaystyle 4$

$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle 2\cdot e^{2x}- e^{−x}$	$\displaystyle \cdot e^x$
	↓	Beseitige den negativen Exponenten.
$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle 2\cdot e^{3x}-e^0$
	↓	Vereinfache.
$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle 2\cdot e^{3x}-1$	$\displaystyle +1$
	↓	Löse nach $x$ auf.
$\displaystyle 1$	$=$	$\displaystyle 2\cdot e^{3x}$	$\displaystyle :2$
$\displaystyle 0{,}5$	$=$	$\displaystyle e^{3x}$	$\displaystyle \ln$
$\displaystyle \ln(0{,}5)$	$=$	$\displaystyle 3x$	$\displaystyle :3$
$\displaystyle \frac{1}{3}\cdot \ln(0{,}5)$	$=$	$\displaystyle x$

$\displaystyle 0$	$=$	$\displaystyle \dfrac{1}{2e}\cdot x+2e+\dfrac{1}{2e}$	$\displaystyle -2e-\dfrac{1}{2e}$
	↓	Löse nach $x$ auf.
$\displaystyle -2e-\dfrac{1}{2e}$	$=$	$\displaystyle \dfrac{1}{2e}\cdot x$	$\displaystyle \cdot 2e$
$\displaystyle (-2e-\dfrac{1}{2e})\cdot 2e$	$=$	$\displaystyle x$
	↓	Löse die Klammer auf.
$\displaystyle -4e^2-1$	$=$	$\displaystyle x$

$\displaystyle -1$	$=$	$\displaystyle -2e^x$	$\displaystyle :(-2)$
	↓	Löse nach $x$ auf.
$\displaystyle \dfrac{-1}{-2}$	$=$	$\displaystyle e^x$
	↓	Vereinfache.
$\displaystyle \frac{1}{2}$	$=$	$\displaystyle e^x$	$\displaystyle \ln$
$\displaystyle \ln(\frac{1}{2})$	$=$	$\displaystyle x$

Pflichtteil

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Ableitungen

1. Ableitung

2. Ableitung

Extrema

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Ableitungen

1. Ableitung

2. Ableitung

Wendepunkte

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Lösung zu a)

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Lösung zu a)

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Lösung zu a)

Lösung zu b)

Bestimmung der Geradengleichung

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Lageuntersuchung: $g\cap E$