Gleichungssysteme: Unterschied zwischen den Versionen
(→Einsetzungsverfahren (Substitutionsverfahren)) |
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{{Vorlage:Definition|1= Ein '''lineares Gleichungssystem''' besteht aus mehreren [[ lineare Gleichung | linearen Gleichungen ]] mit mehreren Variablen. | {{Vorlage:Definition|1= Ein '''lineares Gleichungssystem''' besteht aus mehreren [[ lineare Gleichung | linearen Gleichungen ]] mit mehreren Variablen. | ||
| − | + | Beispiel für ein Gleichungssystem mit $2$ Gleichungen und $2$ Variablen: | |
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$$ I: x+y=35 $$ | $$ I: x+y=35 $$ | ||
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}} | }} | ||
| − | + | <br /> | |
| − | + | == Gleichungssysteme mit $2$ Variablen == | |
| − | + | ||
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| − | <br> | + | |
| − | == Gleichungssysteme mit 2 Variablen == | + | |
'''Beispiel:''' | '''Beispiel:''' | ||
$$ I: x+y=35 $$ | $$ I: x+y=35 $$ | ||
$$ II: 2x+4y=94 $$ | $$ II: 2x+4y=94 $$ | ||
| − | Hierbei sind $x$ und $y$ die Variablen. Um die Lösungsmenge eines | + | Hierbei sind $x$ und $y$ die Variablen. Um die Lösungsmenge eines Gleichungssystems mit $2$ Variablen zu berechnen, braucht es in der Regel genau $2$ [[lineare Abhängigkeit | linear unabhängige]] Gleichungen. |
| + | <br \> | ||
== Lösungsmenge $\mathbb{L}$== | == Lösungsmenge $\mathbb{L}$== | ||
| − | Die Lösung eines solchen Gleichungssystems ist jener Punkt (x|y), der sowohl die erste Gleichung als auch die zweite Gleichung löst. | + | Die Lösung eines solchen Gleichungssystems ist jener Punkt $(x|y)$, der sowohl die erste Gleichung als auch die zweite Gleichung löst. |
| − | + | ||
| − | + | ||
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<br> | <br> | ||
{{Vorlage:Beispiel|1=Zeige, dass der Punkt $(12\vert 23)$ das folgende Gleichungssystem löst: $ \begin{align} | {{Vorlage:Beispiel|1=Zeige, dass der Punkt $(12\vert 23)$ das folgende Gleichungssystem löst: $ \begin{align} | ||
| − | I: \ x&+&y &=& 35& \textrm{ } \\ | + | \ I:&\quad x&+\quad &y&=\quad &35& \textrm{ } \\ |
| − | II:\ 4x&+&2y&=&94& | + | \ II:&\quad 4x&+\quad &2y&= \quad &94& |
\end{align}$|2= | \end{align}$|2= | ||
'''Begründung:''' Setze den Punkt $(12\vert 23)$ in die beiden Gleichungen ein, wobei $x=12$ und $y=23$ ist: | '''Begründung:''' Setze den Punkt $(12\vert 23)$ in die beiden Gleichungen ein, wobei $x=12$ und $y=23$ ist: | ||
$$ I: \underbrace{12+23}_{35}=35\ \ \textrm{ wahre Aussage}$$ $$ II: \underbrace{4\cdot 12+2\cdot 23}_{\underbrace{48+46}_{94} }=94 \textrm{ wahre Aussage} $$ | $$ I: \underbrace{12+23}_{35}=35\ \ \textrm{ wahre Aussage}$$ $$ II: \underbrace{4\cdot 12+2\cdot 23}_{\underbrace{48+46}_{94} }=94 \textrm{ wahre Aussage} $$ | ||
| − | Somit ist $(12\vert 23)$ eine Lösung des Gleichungssystems }} | + | Somit ist $(12\vert 23)$ eine Lösung des Gleichungssystems.}} |
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Um ein Gleichungssystem zu lösen, gibt es mehrere Verfahren: | Um ein Gleichungssystem zu lösen, gibt es mehrere Verfahren: | ||
| − | <br | + | <br \> |
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== Lösungsverfahren == | == Lösungsverfahren == | ||
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{{Vorlage:Merke|1='''Methode des Additionsverfahrens''' | {{Vorlage:Merke|1='''Methode des Additionsverfahrens''' | ||
# Forme beide Gleichungen auf die Form $ax+by=c$ (Variablen links, Konstante rechts). | # Forme beide Gleichungen auf die Form $ax+by=c$ (Variablen links, Konstante rechts). | ||
| − | # Multipliziere eine oder beide Gleichungen mit einer Zahl, sodass in beiden Gleichungen die [[Koeffizient | Koeffizienten]] vor der Unbekannten x oder vor der Unbekannten y gleich sind. | + | # Multipliziere eine oder beide Gleichungen mit einer Zahl, sodass in beiden Gleichungen die [[Koeffizient | Koeffizienten]] vor der Unbekannten $x$ oder vor der Unbekannten $y$ gleich sind. |
| − | # Addiere (oder subtrahiere) die beiden Gleichungen | + | # Addiere (oder subtrahiere) die beiden Gleichungen. |
# Du erhältst eine Gleichung mit einer Unbekannten.[[Theorie lineare Gleichungen mit einer Variable (2.4.)| Löse die Gleichung ]] mit einer Unbekannten durch Umformen der Gleichung.}} | # Du erhältst eine Gleichung mit einer Unbekannten.[[Theorie lineare Gleichungen mit einer Variable (2.4.)| Löse die Gleichung ]] mit einer Unbekannten durch Umformen der Gleichung.}} | ||
{| align="center" | {| align="center" | ||
| − | |{{#ev:youtube| | + | |{{#ev:youtube|ZKeWfvV3CRk}} |
|} | |} | ||
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{{Vorlage:Beispiel|1=Bestimme mithilfe des Additionsverfahrens die Lösungsmenge des Gleichungssystems: | {{Vorlage:Beispiel|1=Bestimme mithilfe des Additionsverfahrens die Lösungsmenge des Gleichungssystems: | ||
$ \begin{align} | $ \begin{align} | ||
| − | I: \ x&+&y &=& 35& \textrm{ } \\ | + | \ I:&\quad x&+\quad &y &=\quad & 35& \textrm{ } \\ |
| − | II:\ 4x&+&2y&=&94& | + | \ II:&\quad 4x&+\quad &2y&=\quad &94& |
\end{align}$ | \end{align}$ | ||
|2= | |2= | ||
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| − | '''2. Schritt:''' Multipliziere eine der beiden | + | '''2. Schritt:''' Multipliziere eine der beiden Gleichungen: |
$ \begin{align} | $ \begin{align} | ||
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\end{align}$ | \end{align}$ | ||
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'''4. Schritt:''' Lösen der Gleichung mit einer Unbekannten: | '''4. Schritt:''' Lösen der Gleichung mit einer Unbekannten: | ||
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$ \begin{align} x&=&12 \end{align}$ | $ \begin{align} x&=&12 \end{align}$ | ||
| − | Nun setzen wir $x=12$ in eine der Gleichungen (z.B. in die erste) ein und erhalten: | + | Nun setzen wir $x=12$ in eine der Gleichungen (z. B. in die erste) ein und erhalten: |
$$ \begin{align} 12+y=35 \Rightarrow y=23 \end{align}$$ | $$ \begin{align} 12+y=35 \Rightarrow y=23 \end{align}$$ | ||
Damit ist die [[Lösungsmenge |Lösungsmenge $\mathbb{L}$]] $= \{ (12\vert 23) \} $}} | Damit ist die [[Lösungsmenge |Lösungsmenge $\mathbb{L}$]] $= \{ (12\vert 23) \} $}} | ||
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{| border=1 | {| border=1 | ||
| − | | Wichtig | + | | '''Wichtig:''' |
| − | | Das Additionsverfahren eignet sich nur für '''lineare | + | | Das Additionsverfahren eignet sich nur für '''lineare Gleichungssysteme'''. Kommen nichtlineare Terme wie $x^2$, $x^3$ oder $x\cdot y$ in Gleichungen vor, so '''funktioniert''' das Additionsverfahren '''nicht'''. |
| − | + | ||
Um nichtlineare Gleichungssysteme zu lösen, verwendet man das Einsetzungs-, Gleichsetzungs- oder das graphische Verfahren: | Um nichtlineare Gleichungssysteme zu lösen, verwendet man das Einsetzungs-, Gleichsetzungs- oder das graphische Verfahren: | ||
|} | |} | ||
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<br> | <br> | ||
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{{Vorlage:Merke|1='''Methode des Einsetzungsverfahrens''' | {{Vorlage:Merke|1='''Methode des Einsetzungsverfahrens''' | ||
| − | 1. Stelle in einer der Gleichungen eine der Variablen frei (siehe [[Gleichungen umformen]]) | + | 1. Stelle in einer der Gleichungen eine der Variablen frei (siehe [[Gleichungen umformen]]). |
| − | 2. Setze nun das Ergebnis aus der Umformung in die andere Gleichung ein. Du | + | 2. Setze nun das Ergebnis aus der Umformung in die andere Gleichung ein. Du erhältst eine Gleichung mit einer Variablen. |
3. Löse nun diese Gleichung und setze die Lösung anschließend in die andere Gleichung ein, um die Lösung für die andere Variable zu erhalten. | 3. Löse nun diese Gleichung und setze die Lösung anschließend in die andere Gleichung ein, um die Lösung für die andere Variable zu erhalten. | ||
}} | }} | ||
| − | |||
{{Vorlage:Beispiel|1=Bestimme mithilfe des Einsetzungsverfahrens die Lösungsmenge des Gleichungssystems: | {{Vorlage:Beispiel|1=Bestimme mithilfe des Einsetzungsverfahrens die Lösungsmenge des Gleichungssystems: | ||
$ \begin{align} | $ \begin{align} | ||
| − | I: \ x&+&y &=& 35& \textrm{ } \\ | + | \ I:&\quad x&+\quad &y &=\quad & 35& \textrm{ } \\ |
| − | II:\ 4x&+&2y&=&94& | + | \ II:&\quad 4x&+\quad &2y&=\quad &94& |
\end{align}$ | \end{align}$ | ||
|2= | |2= | ||
| − | '''1. Schritt:''' Umformen der Gleichung I $\rightarrow$ x freistellen: | + | '''1. Schritt:''' Umformen der Gleichung I $\rightarrow$ $x$ freistellen: |
$ \begin{align} | $ \begin{align} | ||
| − | I:\ \ &x+y &=& 35 \ \ \ \ \ \ \ \ \vert \ -y \\ | + | I:\ \ &x+y &= &35 \ \ \ \ \ \ \ \ \vert \ -y \\ |
| − | I:\ \ &x &=&35-y | + | I:\ \ &x &= &35-y |
\end{align}$ | \end{align}$ | ||
| Zeile 148: | Zeile 124: | ||
$ \begin{align} | $ \begin{align} | ||
| − | II:\ \ 4\color{red}{x}&+&2y&=&94& \textrm{ }\ \ \ \ \vert I:\ \color{red}{x=(35-y)} \\ | + | II:\ \ 4\color{red}{x}&+ &2y&= &94& \textrm{ }\ \ \ \ \vert I:\ \color{red}{x=(35-y)} \\ |
| − | II:\ \ 4\cdot \color{red}{(35-y)}&+&2y&=&94& | + | II:\ \ 4\cdot \color{red}{(35-y)}&+ &2y&= &94& |
\end{align}$ | \end{align}$ | ||
| − | + | '''3. Schritt:''' Lösen der Gleichung II (hier befindet sich nun nur noch die Variable $y$) | |
| − | '''3. Schritt:''' Lösen der Gleichung II (hier befindet sich nun nur noch die Variable y) | + | |
$ \begin{align} | $ \begin{align} | ||
| Zeile 165: | Zeile 140: | ||
<br> | <br> | ||
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Nun setzen wir $y=23$ in die umgeformte Gleichung I (siehe Schritt 1) ein und erhalten: | Nun setzen wir $y=23$ in die umgeformte Gleichung I (siehe Schritt 1) ein und erhalten: | ||
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=== Graphisches Verfahren === | === Graphisches Verfahren === | ||
| − | [[Datei:Allgemein graphisches Lösungsverfahren.png|thumb|230px|right|Der Schnittpunkt S ist die Lösung des Gleichungssystems]] | + | [[Datei:Allgemein graphisches Lösungsverfahren.png|thumb|230px|right|Der Schnittpunkt $S$ ist die Lösung des Gleichungssystems.]] |
| − | + | ||
| − | + | ||
{{Vorlage:Merke|1= | {{Vorlage:Merke|1= | ||
'''Methode:''' | '''Methode:''' | ||
| − | 1. Beide Gleichungen auf | + | 1. Beide Gleichungen auf „$y=...$“ umformen. |
| − | 2. Einzeichnen der Geraden aus I. und II. in dasselbe Koordinatensystem (siehe [[Lineare Funktionen#Gerade zeichnen|Lineare Funktionen y=kx+d]] | + | 2. Einzeichnen der Geraden aus I. und II. in dasselbe Koordinatensystem (siehe [[Lineare Funktionen#Gerade zeichnen|Lineare Funktionen $y=kx+d$]]). |
3. Ermitteln des Schnittpunktes $\rightarrow$ dieser gibt die Lösungsmenge des Gleichungssystems an. }} | 3. Ermitteln des Schnittpunktes $\rightarrow$ dieser gibt die Lösungsmenge des Gleichungssystems an. }} | ||
| − | |||
| − | |||
<br> | <br> | ||
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{{Vorlage:Beispiel|1=Bestimme mithilfe des graphischen Verfahrens die Lösungsmenge des Gleichungssystems: | {{Vorlage:Beispiel|1=Bestimme mithilfe des graphischen Verfahrens die Lösungsmenge des Gleichungssystems: | ||
$ \begin{align} | $ \begin{align} | ||
| − | I: \ x&+&y &=& 35& \\ | + | \ I:&\quad x&+\quad &y &=\quad &35& \\ |
| − | II:\ 4x&+&2y&=&94& | + | \ II:&\quad 4x&+\quad &2y&=\quad &94& |
\end{align}$ | \end{align}$ | ||
|2= | |2= | ||
| − | '''1. Schritt:''' Beide Gleichungen auf | + | '''1. Schritt:''' Beide Gleichungen auf „$y=...$“ umformen. |
$\begin{align} | $\begin{align} | ||
| − | I: x+y=35 &\vert -x &\rightarrow & & \rightarrow &\underline{I:y=-x+35} \\ | + | I: x+y=35 &\ \ \vert -x &\rightarrow & & \rightarrow &\underline{I:y=-x+35} \\ |
\\ | \\ | ||
| − | II:4x+2y=94 &\vert -4x &\rightarrow &2y=-4x+94 \ \ \vert :2 & \rightarrow &\underline{II:y=-2x+47} | + | II:4x+2y=94 &\ \ \vert -4x &\rightarrow &2y=-4x+94 \ \ \vert :2 & \rightarrow &\underline{II:y=-2x+47} |
\end{align}$ | \end{align}$ | ||
| Zeile 211: | Zeile 180: | ||
[[Datei:Bsp graphisches Lösungsverfahren.png|thumb|center|400px|Der Schnittpunkt der Geraden $I:y=-x+35$ (rot) und $II:y=-2x+47$ (blau) ist $S(12\vert 23)$]] | [[Datei:Bsp graphisches Lösungsverfahren.png|thumb|center|400px|Der Schnittpunkt der Geraden $I:y=-x+35$ (rot) und $II:y=-2x+47$ (blau) ist $S(12\vert 23)$]] | ||
| + | |||
| + | |||
'''3. Schritt:''' Ermitteln des Schnittpunktes. | '''3. Schritt:''' Ermitteln des Schnittpunktes. | ||
| Zeile 217: | Zeile 188: | ||
| − | <span style="background-color:yellow"> Achtung | + | <span style="background-color:yellow"> Achtung:</span> Oft ist es schwer, den Schnittpunkt durch eine händische Zeichnung exakt zu ermitteln. Hier ist es dann oft sinnvoll, Technologie einzusetzen. Entweder mithilfe |
| − | * [[GeoGebra#Schneide-Befehl | GeoGebra]] oder | + | * von [[GeoGebra#Schneide-Befehl | GeoGebra]] oder |
| − | * | + | * des [[TI-Befehle#Maximum, Minimum, Funktionswert, Nullstelle, Schnittpunkte|Intersect-Befehls]] des TI. |
| + | |||
| + | <br \> | ||
=== Matrixverfahren (nur mit dem TR Ti-82) === | === Matrixverfahren (nur mit dem TR Ti-82) === | ||
siehe [[TI-Befehle#Matrixverfahren|Matrixverfahren mit dem TR]] | siehe [[TI-Befehle#Matrixverfahren|Matrixverfahren mit dem TR]] | ||
| + | |||
| + | <br \> | ||
=== Verfahren mit GeoGebra-CAS === | === Verfahren mit GeoGebra-CAS === | ||
| − | + | folgt in Kürze ... | |
| + | |||
| + | <br \> | ||
== Lösungsmöglichkeiten eines linearen Gleichungssystems == | == Lösungsmöglichkeiten eines linearen Gleichungssystems == | ||
| − | Betrachtet man ein lineares Gleichungssystem mit 2 Variablen graphisch, indem man die Geraden zeichnet (siehe [[Gleichungssysteme (2.7.)#graphisches Verfahren | | + | Betrachtet man ein lineares Gleichungssystem mit $2$ Variablen graphisch, indem man die Geraden zeichnet (siehe [[Gleichungssysteme (2.7.)#graphisches Verfahren |Graphisches Verfahren]]), so gibt es insgesamt drei Lösungsmöglichkeiten: |
# Die Geraden schneiden sich im Schnittpunkt $S(x|y)\ \rightarrow$ es gibt '''eine Lösung''': $\mathbb{L}={(x|y)}$ | # Die Geraden schneiden sich im Schnittpunkt $S(x|y)\ \rightarrow$ es gibt '''eine Lösung''': $\mathbb{L}={(x|y)}$ | ||
# Die Geraden sind parallel und es gibt keinen Schnittpunkt $\rightarrow$ es gibt '''keine Lösung''': $\mathbb{L}=\{\ \}$ | # Die Geraden sind parallel und es gibt keinen Schnittpunkt $\rightarrow$ es gibt '''keine Lösung''': $\mathbb{L}=\{\ \}$ | ||
| − | # Die Geraden überlappen sich und es gibt | + | # Die Geraden überlappen sich und es gibt unendlich viele Schnittpunkte $\rightarrow$ es gibt '''unendlich viele Lösungen''', die alle auf der Geraden liegen: $\mathbb{L}=\{ (x\vert y)\vert (x|y)\textrm{ erfüllt die Geradengleichung} \}$ |
| − | Wie erkennen wir nun diese drei Fälle, wenn wir ein Lösungsverfahren verwenden? Die folgende | + | Wie erkennen wir nun diese drei Fälle, wenn wir ein Lösungsverfahren verwenden? Die folgende Grafik zeigt dies genauer: |
{| class="wikitable" | {| class="wikitable" | ||
|- | |- | ||
| Zeile 242: | Zeile 219: | ||
|- | |- | ||
| Beispiel: Die Gleichungen sind | | Beispiel: Die Gleichungen sind | ||
| − | | [[Lineare Abhängigkeit| | + | | [[Lineare Abhängigkeit|linear unabhängig]] und widerspruchsfrei: $$I:-x+y=1$$ $$II:-x-y=2$$ |
| widersprüchlich $$I:-x+y=1$$ $$II:-x+y=2$$ | | widersprüchlich $$I:-x+y=1$$ $$II:-x+y=2$$ | ||
| − | | [[Lineare Abhängigkeit| | + | | [[Lineare Abhängigkeit|linear abhängig]] (II ist ein Vielfaches von I): |
$$I:-x+y=1$$ | $$I:-x+y=1$$ | ||
$$II:-2x+2y=2$$ | $$II:-2x+2y=2$$ | ||
|- | |- | ||
| Anzahl der Lösungen: | | Anzahl der Lösungen: | ||
| − | | | + | |genau eine |
$x=-1.5$ und $y=-0.5$ | $x=-1.5$ und $y=-0.5$ | ||
| − | | keine | + | | keine |
| − | | | + | | unendlich viele |
| − | z.B. $(0|1);(1|2);(3|4)...$ | + | z. B. $(0|1);(1|2);(3|4)...$ |
|- | |- | ||
| Lösungsmenge | | Lösungsmenge | ||
| Zeile 259: | Zeile 236: | ||
| $$\mathbb{L}=\{\ \}$$ | | $$\mathbb{L}=\{\ \}$$ | ||
| $$\mathbb{L}=\{ (x|y)|-x+y=1\}$$ | | $$\mathbb{L}=\{ (x|y)|-x+y=1\}$$ | ||
| − | + | D. h. alle Punkte $(x|y)$, die die Gleichung $-x+y=1$ erfüllen. | |
|- | |- | ||
| Graphisches Lösungsverfahren | | Graphisches Lösungsverfahren | ||
| Zeile 272: | Zeile 249: | ||
| $x=-1.5$ und $y=-0.5$ | | $x=-1.5$ und $y=-0.5$ | ||
| eine falsche Aussage wie $0=1$ oder $4=18$... | | eine falsche Aussage wie $0=1$ oder $4=18$... | ||
| − | + | Somit gibt es keine Werte als Lösung. | |
|eine wahre Aussage wie $0=0$ oder $2=2$ | |eine wahre Aussage wie $0=0$ oder $2=2$ | ||
| − | + | Somit ist jede Zahl (die eine der beiden Gleichungen erfüllt) eine Lösung. | |
|- | |- | ||
| Matrixverfahren | | Matrixverfahren | ||
| Zeile 289: | Zeile 266: | ||
Somit gilt: | Somit gilt: | ||
$0x+0y=1$ und damit | $0x+0y=1$ und damit | ||
| − | $0=1$ f.A. $\rightarrow$ | + | $0=1$ f. A. $\rightarrow$ Es gibt keine Lösung. |
| Die unterste Zeile besteht aus: | | Die unterste Zeile besteht aus: | ||
{| border="1" | {| border="1" | ||
| Zeile 296: | Zeile 273: | ||
Somit gilt: | Somit gilt: | ||
$0x+0y=0$ und damit | $0x+0y=0$ und damit | ||
| − | $0=0$ w.A. $\rightarrow$ | + | $0=0$ w. A. $\rightarrow$ Es gibt unendlich viele Lösungen. |
|- | |- | ||
| Lösung mit GeoGebra-CAS || $$x = -1.5,\ y = -0.5$$|| $$\textrm{ ? }$$|| $$x = y - 1, y = y$$ | | Lösung mit GeoGebra-CAS || $$x = -1.5,\ y = -0.5$$|| $$\textrm{ ? }$$|| $$x = y - 1, y = y$$ | ||
|} | |} | ||
| − | == Lineare Gleichungssysteme mit 3 oder mehreren Variablen == | + | <br \> |
| + | |||
| + | == Lineare Gleichungssysteme mit $3$ oder mehreren Variablen == | ||
Musterbeispiel: | Musterbeispiel: | ||
| − | Das folgende lineare Gleichungssystem zeigt ein Gleichungssystem mit 3 Variablen (x, y und z) und 3 Gleichungen: | + | Das folgende lineare Gleichungssystem zeigt ein Gleichungssystem mit $3$ Variablen ($x, y$ und $z$) und $3$ Gleichungen: |
$\begin{align} | $\begin{align} | ||
| Zeile 315: | Zeile 294: | ||
| − | Es gilt: Um ein lineares Gleichungssystem mit n Variablen eindeutig zu lösen, muss das Gleichungssystem aus n [[lineare Abhängigkeit | linear unabhängigen]] Gleichungen bestehen. | + | Es gilt: Um ein lineares Gleichungssystem mit $n$ Variablen eindeutig zu lösen, muss das Gleichungssystem aus $n$ [[lineare Abhängigkeit | linear unabhängigen]] Gleichungen bestehen. |
| Zeile 341: | Zeile 320: | ||
! GeoGebra-CAS !! Matrixverfahren | ! GeoGebra-CAS !! Matrixverfahren | ||
|- | |- | ||
| − | | [[Datei:Glsys3-GG.png|thumb|Durch Markieren der 3 Gleichungen und Klicken auf [x=] (x-Löse) erhält man die Lösung des Gleichungssystems.]] | + | | [[Datei:Glsys3-GG.png|thumb|Durch Markieren der $3$ Gleichungen und Klicken auf $[x=]$ ($x$-Löse) erhält man die Lösung des Gleichungssystems.]] |
| Zuerst tippt man bei [Matrix]->Edit die Koeffizienten ein: | | Zuerst tippt man bei [Matrix]->Edit die Koeffizienten ein: | ||
{| class="wikitable" | {| class="wikitable" | ||
|- | |- | ||
| − | | 2|| 1|| -3|| -4 | + | | $2$|| $1$|| $-3$|| $-4$ |
|- | |- | ||
| − | | 1|| -3|| -1|| -8 | + | | $1$|| $-3$|| $-1$|| $-8$ |
|- | |- | ||
| − | | -3|| 1|| 1|| 2 | + | | $-3$|| $1$|| $1$|| $2$ |
|} | |} | ||
| − | Dann wendet man den Befehl rref(A) | + | Dann wendet man den Befehl $rref(A)$ und erhält: |
{| class="wikitable" | {| class="wikitable" | ||
|- | |- | ||
| − | | 1|| 0|| 0|| 0.91 | + | | $1$|| $0$|| $0$|| $0.91$ |
|- | |- | ||
| − | | 0|| 1|| 0|| 2.09 | + | | $0$|| $1$|| $0$|| $2.09$ |
|- | |- | ||
| − | | 0|| 0|| 1|| 2.64 | + | | $0$|| $0$|| $1$|| $2.64$ |
|} | |} | ||
Somit gilt: $x=0.91,\ y=2.09\ z=2.64$ | Somit gilt: $x=0.91,\ y=2.09\ z=2.64$ | ||
| Zeile 365: | Zeile 344: | ||
</div> | </div> | ||
| − | |||
[[Kategorie: Algebra und Geometrie]] | [[Kategorie: Algebra und Geometrie]] | ||
| − | == Matura-Aufgaben== | + | <br \> |
| − | * [[Bifie-grün: Aufgaben des Bifie | <span style="background-color:#7CFC00">$Bifie$</span>]] [http://aufgabenpool. | + | |
| + | == Interaktive Übungen == | ||
| + | === Quiz: Lineare Gleichungssysteme (AG 2.5) === | ||
| + | {{#widget:Iframe | ||
| + | |url= https://h5p.org/h5p/embed/183536 | ||
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| + | |border=1 | ||
| + | }} | ||
| + | |||
| + | == Matura-Aufgaben == | ||
| + | * [[Bifie-grün: Aufgaben des Bifie | <span style="background-color:#7CFC00">$Bifie$</span>]] [http://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=17&file=Wanderweg.pdf Wanderweg] | ||
*: Siehe auch: [[Bewegungsaufgaben - Weg/Geschwindigkeit/Beschleunigung]] und [[Lineare Funktionen]] | *: Siehe auch: [[Bewegungsaufgaben - Weg/Geschwindigkeit/Beschleunigung]] und [[Lineare Funktionen]] | ||
| − | * [[Bifie-grün: Aufgaben des Bifie | <span style="background-color:#7CFC00">$Bifie$</span>]] [http://aufgabenpool. | + | * [[Bifie-grün: Aufgaben des Bifie | <span style="background-color:#7CFC00">$Bifie$</span>]] [http://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=24&file=Kleintransporte.pdf Kleintransporter] |
*: Siehe auch: [[Lineare Funktionen]] | *: Siehe auch: [[Lineare Funktionen]] | ||
| − | * [[Bifie-grün: Aufgaben des Bifie | <span style="background-color:#7CFC00">$Bifie$</span>]] [http://aufgabenpool. | + | * [[Bifie-grün: Aufgaben des Bifie | <span style="background-color:#7CFC00">$Bifie$</span>]] [http://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=215&file=Impfstoff.pdf Impfstoff] |
*: Welche Inhalte werden hier noch gefragt: [[Lineare Funktionen]] | *: Welche Inhalte werden hier noch gefragt: [[Lineare Funktionen]] | ||
| − | * [[Bifie-grün: Aufgaben des Bifie | <span style="background-color:#7CFC00">$Bifie$</span>]] [http://aufgabenpool. | + | * [[Bifie-grün: Aufgaben des Bifie | <span style="background-color:#7CFC00">$Bifie$</span>]] [http://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=145&file=Torten.pdf Torten] (Bifie-Aufgabe: mittel-leicht-leicht-leicht) |
| − | *: Welche Inhalte werden hier noch gefragt: [[Formeln]] sowie [[Funktionen]] und für | + | *: Welche Inhalte werden hier noch gefragt: [[Formeln]] sowie [[Funktionen]] und für d) [[Wahrscheinlichkeit:_Diskrete_Zufallsvariablen_und_die_Binomialverteilung#Bernoulli-Experiment_und_die_Binomialverteilung|Binomialverteilung ]] |
Aktuelle Version vom 22. Januar 2021, 19:40 Uhr
|
Ein lineares Gleichungssystem besteht aus mehreren linearen Gleichungen mit mehreren Variablen.
Beispiel für ein Gleichungssystem mit $2$ Gleichungen und $2$ Variablen: $$ I: x+y=35 $$ $$ II: 2x+4y=94 $$ |
Inhaltsverzeichnis
Gleichungssysteme mit $2$ Variablen
Beispiel: $$ I: x+y=35 $$ $$ II: 2x+4y=94 $$ Hierbei sind $x$ und $y$ die Variablen. Um die Lösungsmenge eines Gleichungssystems mit $2$ Variablen zu berechnen, braucht es in der Regel genau $2$ linear unabhängige Gleichungen.
Lösungsmenge $\mathbb{L}$
Die Lösung eines solchen Gleichungssystems ist jener Punkt $(x|y)$, der sowohl die erste Gleichung als auch die zweite Gleichung löst.
Zeige, dass der Punkt $(12\vert 23)$ das folgende Gleichungssystem löst: $ \begin{align}
\ I:&\quad x&+\quad &y&=\quad &35& \textrm{ } \\
\ II:&\quad 4x&+\quad &2y&= \quad &94&
\end{align}$
$$ I: \underbrace{12+23}_{35}=35\ \ \textrm{ wahre Aussage}$$ $$ II: \underbrace{4\cdot 12+2\cdot 23}_{\underbrace{48+46}_{94} }=94 \textrm{ wahre Aussage} $$
Somit ist $(12\vert 23)$ eine Lösung des Gleichungssystems.
Um ein Gleichungssystem zu lösen, gibt es mehrere Verfahren:
Lösungsverfahren
Additionsverfahren (Eliminationsverfahren)
|
Methode des Additionsverfahrens
|
Bestimme mithilfe des Additionsverfahrens die Lösungsmenge des Gleichungssystems:
$ \begin{align}
\ I:&\quad x&+\quad &y &=\quad & 35& \textrm{ } \\
\ II:&\quad 4x&+\quad &2y&=\quad &94&
\end{align}$
$ \begin{align} x&+&y &=& 35& \textrm{ } \\ 4x&+&2y&=&94& \end{align}$
2. Schritt: Multipliziere eine der beiden Gleichungen:
$ \begin{align} x&+&y &=& 35& \textrm{ } \vert \cdot (-2) \\ 4x&+&2y&=&94& \end{align}$
3. Schritt: Addiere oder subtrahiere die beiden Gleichungen:
$ \begin{align} -2x&-&2y &=& -70& \textrm{ } \vert +\ \ \\ 4x&+&2y&=&94& \\ \end{align}$
4. Schritt: Lösen der Gleichung mit einer Unbekannten:
$ \begin{align} 2x&+&0&=24 & \vert :2 \end{align}$
$ \begin{align} x&=&12 \end{align}$
Nun setzen wir $x=12$ in eine der Gleichungen (z. B. in die erste) ein und erhalten: $$ \begin{align} 12+y=35 \Rightarrow y=23 \end{align}$$ Damit ist die Lösungsmenge $\mathbb{L}$ $= \{ (12\vert 23) \} $
| Wichtig: | Das Additionsverfahren eignet sich nur für lineare Gleichungssysteme. Kommen nichtlineare Terme wie $x^2$, $x^3$ oder $x\cdot y$ in Gleichungen vor, so funktioniert das Additionsverfahren nicht.
Um nichtlineare Gleichungssysteme zu lösen, verwendet man das Einsetzungs-, Gleichsetzungs- oder das graphische Verfahren: |
Einsetzungsverfahren (Substitutionsverfahren)
|
Methode des Einsetzungsverfahrens
1. Stelle in einer der Gleichungen eine der Variablen frei (siehe Gleichungen umformen). 2. Setze nun das Ergebnis aus der Umformung in die andere Gleichung ein. Du erhältst eine Gleichung mit einer Variablen. 3. Löse nun diese Gleichung und setze die Lösung anschließend in die andere Gleichung ein, um die Lösung für die andere Variable zu erhalten. |
Bestimme mithilfe des Einsetzungsverfahrens die Lösungsmenge des Gleichungssystems:
$ \begin{align}
\ I:&\quad x&+\quad &y &=\quad & 35& \textrm{ } \\
\ II:&\quad 4x&+\quad &2y&=\quad &94&
\end{align}$
$ \begin{align} I:\ \ &x+y &= &35 \ \ \ \ \ \ \ \ \vert \ -y \\ I:\ \ &x &= &35-y \end{align}$
2. Schritt: Setze das Ergebnis in die Gleichung II ein:
$ \begin{align} II:\ \ 4\color{red}{x}&+ &2y&= &94& \textrm{ }\ \ \ \ \vert I:\ \color{red}{x=(35-y)} \\ II:\ \ 4\cdot \color{red}{(35-y)}&+ &2y&= &94& \end{align}$
3. Schritt: Lösen der Gleichung II (hier befindet sich nun nur noch die Variable $y$)
$ \begin{align} II:\ 4\cdot (35-y)+2y&=94& \\ II:\ 140-4y+2y&=94 & \\ 140-2y&=94&\ \vert -140\\ -2y&=-46&\ \vert : (-2)\\ y&=23 \end{align}$
Nun setzen wir $y=23$ in die umgeformte Gleichung I (siehe Schritt 1) ein und erhalten: $$ x=35-y \Rightarrow x=35-23 \rightarrow x=12$$ Damit ist die Lösungsmenge $\mathbb{L}$ $= \{ (12\vert 23) \} $
Graphisches Verfahren
|
Methode:
1. Beide Gleichungen auf „$y=...$“ umformen. 2. Einzeichnen der Geraden aus I. und II. in dasselbe Koordinatensystem (siehe Lineare Funktionen $y=kx+d$). 3. Ermitteln des Schnittpunktes $\rightarrow$ dieser gibt die Lösungsmenge des Gleichungssystems an. |
Bestimme mithilfe des graphischen Verfahrens die Lösungsmenge des Gleichungssystems:
$ \begin{align}
\ I:&\quad x&+\quad &y &=\quad &35& \\
\ II:&\quad 4x&+\quad &2y&=\quad &94&
\end{align}$
$\begin{align} I: x+y=35 &\ \ \vert -x &\rightarrow & & \rightarrow &\underline{I:y=-x+35} \\ \\ II:4x+2y=94 &\ \ \vert -4x &\rightarrow &2y=-4x+94 \ \ \vert :2 & \rightarrow &\underline{II:y=-2x+47} \end{align}$
2. Schritt: Einzeichnen der Geraden $y=kx+d$ (siehe Geraden zeichnen)
3. Schritt: Ermitteln des Schnittpunktes.
Wie man aus der obigen Graphik erkennt, hat der Schnittpunkt die Koordinaten $S(12\vert 23)$. Somit lautet die Lösungsmenge $\mathbb{L}$$={(12\vert 23)}$.
Achtung: Oft ist es schwer, den Schnittpunkt durch eine händische Zeichnung exakt zu ermitteln. Hier ist es dann oft sinnvoll, Technologie einzusetzen. Entweder mithilfe
- von GeoGebra oder
- des Intersect-Befehls des TI.
Matrixverfahren (nur mit dem TR Ti-82)
siehe Matrixverfahren mit dem TR
Verfahren mit GeoGebra-CAS
folgt in Kürze ...
Lösungsmöglichkeiten eines linearen Gleichungssystems
Betrachtet man ein lineares Gleichungssystem mit $2$ Variablen graphisch, indem man die Geraden zeichnet (siehe Graphisches Verfahren), so gibt es insgesamt drei Lösungsmöglichkeiten:
- Die Geraden schneiden sich im Schnittpunkt $S(x|y)\ \rightarrow$ es gibt eine Lösung: $\mathbb{L}={(x|y)}$
- Die Geraden sind parallel und es gibt keinen Schnittpunkt $\rightarrow$ es gibt keine Lösung: $\mathbb{L}=\{\ \}$
- Die Geraden überlappen sich und es gibt unendlich viele Schnittpunkte $\rightarrow$ es gibt unendlich viele Lösungen, die alle auf der Geraden liegen: $\mathbb{L}=\{ (x\vert y)\vert (x|y)\textrm{ erfüllt die Geradengleichung} \}$
Wie erkennen wir nun diese drei Fälle, wenn wir ein Lösungsverfahren verwenden? Die folgende Grafik zeigt dies genauer:
| $\ $ | 1. Fall: genau eine Lösung | 2. Fall: keine Lösung | 3. Fall: unendlich viele Lösungen | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Beispiel: Die Gleichungen sind | linear unabhängig und widerspruchsfrei: $$I:-x+y=1$$ $$II:-x-y=2$$ | widersprüchlich $$I:-x+y=1$$ $$II:-x+y=2$$ | linear abhängig (II ist ein Vielfaches von I):
$$I:-x+y=1$$ $$II:-2x+2y=2$$ | ||||||||||||
| Anzahl der Lösungen: | genau eine
$x=-1.5$ und $y=-0.5$ |
keine | unendlich viele
z. B. $(0|1);(1|2);(3|4)...$ | ||||||||||||
| Lösungsmenge | $$\mathbb{L}={(-1.5|-0.5)}$$ | $$\mathbb{L}=\{\ \}$$ | $$\mathbb{L}=\{ (x|y)|-x+y=1\}$$
D. h. alle Punkte $(x|y)$, die die Gleichung $-x+y=1$ erfüllen. | ||||||||||||
| Graphisches Lösungsverfahren | |||||||||||||||
| Additions- und Einsetzungsverfahren | $x=-1.5$ und $y=-0.5$ | eine falsche Aussage wie $0=1$ oder $4=18$...
Somit gibt es keine Werte als Lösung. |
eine wahre Aussage wie $0=0$ oder $2=2$
Somit ist jede Zahl (die eine der beiden Gleichungen erfüllt) eine Lösung. | ||||||||||||
| Matrixverfahren |
|
Die unterste Zeile besteht aus:
Somit gilt: $0x+0y=1$ und damit $0=1$ f. A. $\rightarrow$ Es gibt keine Lösung. |
Die unterste Zeile besteht aus:
Somit gilt: $0x+0y=0$ und damit $0=0$ w. A. $\rightarrow$ Es gibt unendlich viele Lösungen. | ||||||||||||
| Lösung mit GeoGebra-CAS | $$x = -1.5,\ y = -0.5$$ | $$\textrm{ ? }$$ | $$x = y - 1, y = y$$ |
Lineare Gleichungssysteme mit $3$ oder mehreren Variablen
Musterbeispiel: Das folgende lineare Gleichungssystem zeigt ein Gleichungssystem mit $3$ Variablen ($x, y$ und $z$) und $3$ Gleichungen:
$\begin{align} I: &2x&+&y&-&3z&=&-4\\ II: &x&-&3y&-&z&=&-8\\ III: &-3x&+&y&+&z&=&\ \ 2 \end{align}$
Es gilt: Um ein lineares Gleichungssystem mit $n$ Variablen eindeutig zu lösen, muss das Gleichungssystem aus $n$ linear unabhängigen Gleichungen bestehen.
Bestimme die Lösungsmenge des folgenden Gleichungssystems:
$\begin{align}
I: &2x&+&y&-&3z&=&-4\\
II: &x&-&3y&-&z&=&-8\\
III: &-3x&+&y&+&z&=&\ \ 2
\end{align}$
Mithilfe von Technologie-Einsatz kann dieses Gleichungssystem einfach gelöst werden:
| GeoGebra-CAS | Matrixverfahren | ||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Zuerst tippt man bei [Matrix]->Edit die Koeffizienten ein:
Dann wendet man den Befehl $rref(A)$ und erhält:
Somit gilt: $x=0.91,\ y=2.09\ z=2.64$ |
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