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Gleichungen lösen durch Substitution

x4−13x2+36=0 x^4 - 13x^2 + 36 = 0
und
3+2e−2x−5e−x=03 + 2e^{-2x} - 5e^{-x} = 0

sind Gleichungen, für die, im Gegensatz zu quadratischen Gleichungen mit der Mitternachtsformel oder der p−qp - q-Formel, keine Lösungsformel existiert. Solche biquadratischen Gleichungen bzw. Exponentialgleichungen können durch Substitution gelöst werden.

Beispiel 1:

Vorgehensweise zur Lösung der oben genannten biquadratischen Gleichung:

x4−13x2+36=0 x^4 - 13x^2 + 36 = 0

Substitution: x2=z x^2 = z
z2−13z+36=0 z^2 - 13z + 36 = 0

Anwendung der Mitternachtsformel (oder der p−qp-q-Formel):
z1/2=13±169−4⋅1⋅362=13±252 z_{1/2} = \frac{13 \pm \sqrt{169 - 4 \cdot 1 \cdot 36}}{2} = \frac{13 \pm \sqrt{25}}{2}
z1=13+52=9 z_1 = \frac{13+5}{2} = 9
z1=13−52=4 z_1 = \frac{13-5}{2} = 4

Resubstitution:
x2=z1=9 x^2 = z_1 = 9
x1/2=±9=±3 x_{1/2} = \pm \sqrt{9} = \pm 3

x2=z2=4 x^2 = z_2 = 4
x3/4=±4=±2 x_{3/4} = \pm \sqrt{4} = \pm 2

Damit sind die vier Lösungen L={−3,−2,2,3} \mathbb{L} = \{-3, -2, 2, 3 \}

Beispiel 2:

Vorgehensweise zur Lösung der oben genannten Exponentialgleichung:

3+2e−2x−5e−x=03 + 2e^{-2x} - 5e^{-x} = 0

Substitution: e−x=z e^{-x} = z
3+2z2−5z=03 + 2z^2 - 5z = 0 bzw.
2z2−5z+3=0 2z^2 - 5z + 3 = 0

Anwendung der Mitternachtsformel (oder der p−qp-q-Formel: Achtung: Faktor 2 vor z2z^2!)
z1/2=5±25−4⋅2⋅34=5±14z_{1/2} = \frac{5 \pm \sqrt{25 - 4 \cdot 2 \cdot 3}}{4} = \frac{5 \pm 1}{4}
z1=5+14=64=32 z_1 = \frac{5 + 1}{4} = \frac{6}{4} = \frac{3}{2}
z2=5−14=44=1 z_2 = \frac{5 - 1}{4} = \frac{4}{4} = 1

Resubstitution:
e−x1=z1=32 e^{-x_1} = z_1 = \frac{3}{2}
ln⁡(e−x1)=ln⁡(32) \ln{(e^{-x_1})} = \ln{(\frac{3}{2})}
−x1⋅ln⁡(e)=ln⁡(32) -x_1 \cdot \ln{(e)} = \ln{(\frac{3}{2})}
−x1=ln⁡(3)−ln⁡(2) -x_1 = \ln{(3)} - \ln{(2)}
x1=−ln⁡(3)+ln⁡(2) x_1 = -\ln{(3)} + \ln{(2)}

e−x2=z2=1 e^{-x_2} = z_2 = 1
ln⁡(e−x2)=ln⁡(1)\ln{(e^{-x_2})} = \ln{(1)}
−x2=0 -x_2 = 0
x2=0 x_2 = 0

Damit sind die zwei Lösungen L={−ln⁡(3)+ln⁡(2),0} \mathbb{L} = \{-\ln{(3)} + \ln{(2)}, 0 \}

Für kleine Hinweise zur Lösung der Exponentialgleichung klicken Sie auf das Smiley:

Weitere Grundlagen zu Exponentialgleichungen finden Sie im Kapitel Exponentialgleichungen und zum Thema Logarithmen im Kapitel Logarithmengesetze.

Weitere Beispiele zum Üben:

Beispiel 3:

x4+2x2+3=0 x^4 + 2x^2 + 3 = 0

Rechnen Sie selbst und vergleichen Sie Ihre Lösung mit der unter der Glühbirne.

Beispiel 4:

x4−4x2+3=0 x^4 - 4x^2 + 3 = 0

Rechnen Sie selbst und vergleichen Sie Ihre Lösung mit der unter der Glühbirne.