Lösen von Gleichungssystemen
Beim Schulfest kosten 2 Waffeln und 1 Saftschorle zusammen 5 €. Eine Waffel und 2 Saftschorlen kosten zusammen 4 €. Was kostet eine Waffel, was eine Saftschorle? Zwei Gleichungen, zwei Unbekannte: Du kannst das Zahlenpaar durch Probieren finden, aber es geht auch sicher und systematisch. Dafür gibt es drei Verfahren, und du lernst, das passende auszuwählen.
Das Einsetzungsverfahren
Idee: Eine Gleichung wird nach einer Variablen aufgelöst. Dieser Term wird dann in die andere Gleichung eingesetzt. So entsteht eine Gleichung mit nur einer Variablen, und die kennst du schon.
Jede Gleichung ist eine Gerade. Die Lösung des Systems ist der Schnittpunkt der beiden Geraden. Das Rechenverfahren findet genau diesen Punkt.
Löse das folgende lineare Gleichungssystem mit dem Einsetzungsverfahren: $\begin{cases} 3x - y = 5 \\ 2x + 3y = 18 \end{cases}$
Löse das folgende lineare Gleichungssystem mit dem Einsetzungsverfahren:
$\begin{cases} 3x - y = 5 \\ 2x + 3y = 18 \end{cases}$
Das Gleichsetzungsverfahren
Idee: Löse beide Gleichungen nach derselben Variablen auf. Beide Terme sind gleich dieser Variablen, also sind sie auch untereinander gleich. Du setzt sie gleich.
Sind die Gleichungen noch nicht aufgelöst, forme sie zuerst um. Aus $x + 4y = 1$ wird $x = 1 - 4y$.
Löse das folgende Gleichungssystem mit dem Gleichsetzungsverfahren: $\begin{cases} x + 4y = 1 \\ x - 2y = 13 \end{cases}$
Löse das folgende Gleichungssystem mit dem Gleichsetzungsverfahren:
$\begin{cases} x + 4y = 1 \\ x - 2y = 13 \end{cases}$
Das Additionsverfahren
Idee: Du addierst die beiden Gleichungen. Haben die Gleichungen bei einer Variablen entgegengesetzte Koeffizienten, fällt diese Variable weg. Das darfst du, weil du auf beiden Seiten das Gleiche addierst (Äquivalenzumformung).
Oft sind die Koeffizienten noch nicht entgegengesetzt. Dann multiplizierst du erst eine oder beide Gleichungen mit passenden Zahlen.
Löse das folgende Gleichungssystem mit dem Additionsverfahren: $\begin{cases} 5x + 2y = 11 \\ 3x - 2y = 5 \end{cases}$
Löse das folgende Gleichungssystem mit dem Additionsverfahren:
$\begin{cases} 5x + 2y = 11 \\ 3x - 2y = 5 \end{cases}$
Welches Verfahren ist das beste?
Alle drei Verfahren liefern dieselbe Lösungsmenge. Sie unterscheiden sich nur im Rechenaufwand. Schau dir die Form des Systems an, bevor du losrechnest.
| Form des Systems | günstigstes Verfahren |
|---|---|
| eine Variable ist schon aufgelöst oder hat den Koeffizienten $1$ oder $-1$ | Einsetzungsverfahren |
| beide Gleichungen sind nach derselben Variablen aufgelöst | Gleichsetzungsverfahren |
| Koeffizienten einer Variablen sind gleich oder entgegengesetzt (oder leicht dazu zu machen) | Additionsverfahren |
Zurück zum Schulfest: $\text{I}: 2w + s = 5$ und $\text{II}: w + 2s = 4$ ($w$ ist der Preis einer Waffel, $s$ der einer Saftschorle, beide in Euro). In I hat $s$ den Koeffizienten $1$. Also gilt $s = 5 - 2w$. Eingesetzt in II: $w + 10 - 4w = 4$, also $w = 2$ und $s = 1$. Eine Waffel kostet 2 €, eine Saftschorle 1 €. Probe in II: $2 + 2 = 4$ ✓.
Betrachte die beiden folgenden linearen Gleichungssysteme genau: System A: $\begin{cases} x = 3y - 2 \\ 2x + 5y = 18 \end{cases}$ System B:…
Betrachte die beiden folgenden linearen Gleichungssysteme genau:
System A: $\begin{cases} x = 3y - 2 \\ 2x + 5y = 18 \end{cases}$
System B: $\begin{cases} 4x + 3y = 11 \\ 4x - 5y = -5 \end{cases}$
- a) Analysiere, ohne sie bereits zu lösen, den Aufbau beider Systeme und gib begründet an, welches der drei grundlegenden algebraischen Verfahren (Einsetzungs-, Gleichsetzungs- oder Additionsverfahren) für jedes von ihnen am schnellsten und direktesten ist. Erkläre, welches sichtbare Merkmal der Gleichungen deine Wahl begründet.
- b) Wähle eines der beiden Systeme und löse es mit dem Verfahren, das du im vorigen Teil ausgewählt hast. Überprüfe am Ende, ob die erhaltene Lösung beide Gleichungen erfüllt.
Die Summe zweier Zahlen ist $45$ und ihre Differenz ist $11$. Stelle ein lineares Gleichungssystem auf und bestimme diese Zahlen.
Die Summe zweier Zahlen ist $45$ und ihre Differenz ist $11$. Stelle ein lineares Gleichungssystem auf und bestimme diese Zahlen.
Klammern und Brüche
Viele Systeme sind zuerst nicht in der schönen Form $ax + by = c$. Bringe jede Gleichung einzeln in diese Form. Löse dazu Klammern auf, fasse zusammen und multipliziere mit dem Hauptnenner, damit keine Brüche bleiben. Danach wählst du ein Verfahren.
Löse die Klammern auf und löse das folgende lineare Gleichungssystem: $\begin{cases} 2(x + 1) - 3(y - 2) = 16 \\ 5x + y = 3 \end{cases}$
Löse die Klammern auf und löse das folgende lineare Gleichungssystem:
$\begin{cases} 2(x + 1) - 3(y - 2) = 16 \\ 5x + y = 3 \end{cases}$
Löse das folgende lineare Gleichungssystem, indem du zuvor mit den Nennern rechnest, um einfachere äquivalente Gleichungen zu erhalten:…
Löse das folgende lineare Gleichungssystem, indem du zuvor mit den Nennern rechnest, um einfachere äquivalente Gleichungen zu erhalten:
$\begin{cases} \frac{x - 1}{3} + \frac{y + 2}{4} = 3 \\ \frac{2x + y}{7} - \frac{x - y}{2} = 3 \end{cases}$
Lea hat versucht, das folgende Gleichungssystem mit Nennern an der Tafel zu lösen: $\begin{cases} \frac{x+1}{2} - \frac{y-2}{3} = 2 \\ 2x - y = 1 \end{cases}$ In ihrem…
Lea hat versucht, das folgende Gleichungssystem mit Nennern an der Tafel zu lösen:
$\begin{cases} \frac{x+1}{2} - \frac{y-2}{3} = 2 \\ 2x - y = 1 \end{cases}$
In ihrem Heft hat sie diese Rechnung notiert:
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Schritt 1 (Nenner beseitigen, indem die erste Gleichung mit $6$ multipliziert wird): $3 \cdot (x + 1) - 2 \cdot (y - 2) = 12 \implies 3x + 3 - 2y - 4 = 12 \implies 3x - 2y = 13$.
-
Schritt 2 ($y$ in der zweiten Gleichung auflösen): $y = 2x - 1$.
-
Schritt 3 (in die vereinfachte erste Gleichung einsetzen): $3x - 2 \cdot (2x - 1) = 13 \implies 3x - 4x - 2 = 13 \implies -x = 15 \implies x = -15$.
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Schritt 4 (die verbleibende Unbekannte berechnen): $y = 2 \cdot (-15) - 1 = -31$.
- a) Lea hat beim Auflösen von Klammern zwei typische Vorzeichenfehler gemacht. Finde heraus, in welchen Schritten sie stecken, und erkläre genau, welche mathematische Eigenschaft oder Regel sie jeweils nicht beachtet hat.
- b) Korrigiere das Vorgehen und löse das Gleichungssystem richtig, um die korrekten Werte von $x$ und $y$ zu erhalten.
Ausblick: drei Gleichungen mit drei Unbekannten
Bei drei Gleichungen eliminierst du mit dem Additionsverfahren Schritt für Schritt Variablen. Am Ende steht die Stufenform: Die letzte Gleichung enthält nur noch eine Variable. Dann löst du von unten nach oben.
Löse das folgende Gleichungssystem in Stufenform mit drei Gleichungen und drei Unbekannten: $\begin{cases} 2x - y + 3z = 14 \\ 5y - 2z = -3 \\ 4z = 16 \end{cases}$
Löse das folgende Gleichungssystem in Stufenform mit drei Gleichungen und drei Unbekannten:
$\begin{cases} 2x - y + 3z = 14 \\ 5y - 2z = -3 \\ 4z = 16 \end{cases}$
Löse das folgende Gleichungssystem mit drei Gleichungen und drei Unbekannten mit dem Gauß-Verfahren oder durch schrittweises Einsetzen:…
Löse das folgende Gleichungssystem mit drei Gleichungen und drei Unbekannten mit dem Gauß-Verfahren oder durch schrittweises Einsetzen:
$\begin{cases} x + 2y - z = 2 \\ 2x - y + 3z = 9 \\ 3x + y + z = 8 \end{cases}$
Ausblick: nichtlineare Systeme
Kommt in einer Gleichung $x^2$ oder $x\cdot y$ vor, ist das System nicht linear. Oft hilft dasselbe Vorgehen: In der linearen Gleichung eine Variable auflösen und in die andere einsetzen. Es entsteht eine quadratische Gleichung. Solche Systeme können zwei Lösungen haben, wenn eine Gerade eine Kurve in zwei Punkten schneidet.
Löse das folgende nichtlineare Gleichungssystem, das aus der Gleichung einer Parabel und einer Geraden besteht: $\begin{cases} y = x^2 - 4x + 3 \\ y = x - 1 \end{cases}$
Löse das folgende nichtlineare Gleichungssystem, das aus der Gleichung einer Parabel und einer Geraden besteht:
$\begin{cases} y = x^2 - 4x + 3 \\ y = x - 1 \end{cases}$
Bestimme die Schnittpunkte zwischen der Hyperbel und der Geraden, die durch das folgende nichtlineare Gleichungssystem gegeben sind:…
Bestimme die Schnittpunkte zwischen der Hyperbel und der Geraden, die durch das folgende nichtlineare Gleichungssystem gegeben sind:
$\begin{cases} x \cdot y = 12 \\ 2x + y = 10 \end{cases}$
Ausblick: Substitution
Manchmal wird ein System durch Substitution linear: Du ersetzt einen unbequemen Term durch eine neue Variable, löst und machst die Ersetzung am Ende rückgängig.
Löse das folgende Gleichungssystem mit Bruchtermen durch eine geeignete Substitution:…
Löse das folgende Gleichungssystem mit Bruchtermen durch eine geeignete Substitution:
$\begin{cases} \frac{3}{x} + \frac{2}{y} = 2 \\ \frac{4}{x} - \frac{1}{y} = \frac{5}{6} \end{cases}$