Mathematik > Terme und Gleichungen

Pq Formel - Aufgaben und Herleitung

Inhaltsverzeichnis:

Die p-q-Formel ist eine Möglichkeit, eine quadratische Gleichung in wenigen Schritten nach der Unbekannten $x$ umzustellen und somit zu lösen. Quadratische Gleichungen besitzen die allgemeine Form

$a \cdot x^2 + b \cdot x + c = 0$.

Dabei gilt, dass $a \neq 0$ ist.

Die unbekannte Zahl $x$ taucht gleich zweimal in der Gleichung auf. Einmal in einfacher Form und einmal mit zwei potenziert. Die Koeffizienten a, b und c stehen für Zahlen.

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p-q Formel:

Für eine Gleichung der Form $x^2 + \textcolor{red}{p} \cdot x + \textcolor{orange}{q} = 0$ gilt:

$x_{1/2} = -\frac{\textcolor{red}{p}}{2}\pm \sqrt{(\frac{\textcolor{red}{p}}{2})^2-\textcolor{orange}{q}}$

Normalform einer quadratischen Gleichung

Um die p-q-Formel anwenden zu können, muss die quadratische Gleichung in ihrer Normalform vorliegen. Die Normalform ist definiert durch $a = 1$.

$1 \cdot x^2 + b \cdot x + c = 0$       $x^2 + b \cdot x + c = 0$

Um die p-q-Formel anwenden zu können, darf also kein Faktor vor dem $x^2$ stehen. Da dies in den meisten Aufgaben nicht gegeben ist, musst du die quadratische Gleichung meist erst in ihre Normalform umwandeln. Dies geht ganz einfach, indem du durch den Faktor vor dem $x^2$ teilst:

$\textcolor{blue}{a} \cdot x^2 + b \cdot x + c = 0$   | : a

$ x^2 + \frac{b}{\textcolor{blue}{a}} \cdot x + \frac{c}{\textcolor{blue}{a}} = 0$

Die beiden Brüche werden durch die Variablen $p$ und $q$ ersetzt:

$\frac{b}{\textcolor{blue}{a}} = \textcolor{red}{p}$

$\frac{c}{\textcolor{blue}{a}} = \textcolor{orange}{q}$

Daraus ergibt sich die Normalform:

$x^2 +  \textcolor{red}{p} \cdot x + \textcolor{orange}{q} = 0$

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Normalform der quadratischen Gleichung:

$x^2 + \textcolor{red}{p} \cdot x + \textcolor{orange}{q} = 0$

Herleitung der pq Formel

Um von der Normalform auf die p-q-Formel zu kommen, wird die quadratische Gleichung mit Hilfe von Äquivalenzumformungen, der quadratischen Ergänzung und den binomischen Formeln nach $x$ umgestellt.

$x^2 + \textcolor{red}{p} \cdot x + \textcolor{orange}{q} = 0  | -\textcolor{orange}{q}$

$x^2 + \textcolor{red}{p} \cdot x = - \textcolor{orange}{q}$ | $+ (\frac{ \textcolor{red}{p}}{2})^2 $ (quadratische Ergänzung)

$x^2 + \textcolor{red}{p} \cdot x + (\frac{ \textcolor{red}{p}}{2})^2 = (\frac{ \textcolor{red}{p}}{2})^2 - \textcolor{orange}{q}$

Um mit dem Term weiterzurechnen, müssen wir die linke Seite so umschreiben, dass wir dort die 1. binomische Formel anwenden können.

Gut zu wissen

Hinweis

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Die erste binomische Formel lautet:

$(a + b)^2 = a^2 + 2 \cdot a \cdot b + b^2$

$x^2 + \textcolor{red}{p} \cdot x + (\frac{ \textcolor{red}{p}}{2})^2 = (\frac{ \textcolor{red}{p}}{2})^2 - \textcolor{orange}{q}$ | Umformung

$x^2 + 2\cdot (\frac{\textcolor{red}{p}}{2}) \cdot x + (\frac{ \textcolor{red}{p}}{2})^2 = (\frac{ \textcolor{red}{p}}{2})^2 - \textcolor{orange}{q}$ | Anwendung der ersten binomischen Formel

$ (x + \frac{\textcolor{red}{p}}{2})^2 = (\frac{\textcolor{red}{p}}{2})^2 - \textcolor{orange}{q} | \pm \sqrt{}$

$x + \frac{\textcolor{red}{p}}{2} = \pm \sqrt{(\frac{\textcolor{red}{p}}{2})^2 - \textcolor{orange}{q}} | -\frac{\textcolor{red}{p}}{2}$

$x = -\frac{\textcolor{red}{p}}{2}\pm \sqrt{(\frac{\textcolor{red}{p}}{2})^2-\textcolor{orange}{q}}$

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p-q Formel:

Für eine Gleichung der Form $x^2 + \textcolor{red}{p} \cdot x + \textcolor{orange}{q} = 0$ gilt:

$x_{1/2} = -\frac{\textcolor{red}{p}}{2}\pm \sqrt{(\frac{\textcolor{red}{p}}{2})^2-\textcolor{orange}{q}}$

Der Term unter der Wurzel kann entweder addiert oder subtrahiert werden. Eine quadratische Gleichung hat bis zu zwei Lösungen.

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Pq Formel Übung mit Lösung

Betrachten wir folgende quadratische Gleichung:

$3 \cdot x^2 - 6\cdot x - 24 = 0$

Die Gleichung liegt nicht in der Normalform vor. Wir müssen also zunächst durch den Faktor, der vor dem $x^2$ steht, teilen.

$3 \cdot x^2 - 6\cdot x - 24 = 0$   | $:3$

$x^2 - 2\cdot x - 8 = 0$

Die quadratische Gleichung liegt nun in der Normalform vor und wir können die p-q-Formel anwenden.

$x^2 + \textcolor{red}{p} \cdot x + \textcolor{orange}{q} = 0$ $~~~~~~~~~~~~~~~~\rightarrow$   $x^2 \textcolor{red}{-2}\cdot x \textcolor{orange}{-8} = 0$

$x_{1/2} = -\frac{\textcolor{red}{p}}{2}\pm \sqrt{(\frac{\textcolor{red}{p}}{2})^2-\textcolor{orange}{q}}$  $~~~~~~~~\rightarrow$  $x_{1/2} = -\frac{\textcolor{red}{-2}}{2}\pm \sqrt{(\frac{\textcolor{red}{-2}}{2})^2-\textcolor{orange}{-8}}$

Wir erhalten für $x$ folgende Werte:

$x_1 = - 2~~~~~~~~~x_2 = 4$

Pq Formel: Lösungen

Eine quadratische Gleichung kann unterschiedlich viele Lösungen haben. Man unterscheidet zwischen:

  • zwei reellen Lösungen
  • einer reellen Lösung
  • keiner Lösung

Wie viele Lösungen die quadratische Gleichung hat, hängt von dem Term unterhalb der Wurzel in der p-q-Formel ab.

Gut zu wissen

Hinweis

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Der Term, der bei der p-q-Formel unterhalb der Wurzel steht, wird Diskriminante ($D$) genannt.

Schauen wir uns nun die drei Fälle der Diskriminanten an. Wir geben dir zu den Lösungsarten der pq Formel Beispiele an die Hand, damit du dir dieses neue Wissen leichter einprägen kannst:  

Pq Formel: 1. Die Diskriminante ist größer als null ($D~>~0$)

Ist die Diskriminante größer als null, ergibt die p-q-Formel zwei reelle Zahlen als Lösung.

Beispiel

Beispiel

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$x^2 - 4\cdot x + 3 = 0$

$x_{1/2} = -(\frac{-4}{2})\pm \sqrt{(\frac{-4}{2})^2-3}$

$x_1 = 1 ~~~ x_2 = 3$

Pq Formel: 2. Die Diskriminante ist gleich null ($D = 0$)

Wenn die Diskriminante null ist, erhalten wir nur eine reelle Lösung.

Beispiel

Beispiel

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$x^2 - 8\cdot x + 16$

$x_{1/2} = -(\frac{-8}{2})\pm \sqrt{(\frac{-8}{2})^2-16}$

$x = 4$

Pq Formel: 3. Die Diskriminante ist kleiner als null ($D~<~0$)

Wenn die Diskriminante kleiner als null ist, ist der Wert unterhalb der Wurzel eine negative Zahl. Die Wurzel von negativen Zahlen zu errechnen ist mathematisch jedoch nicht möglich. Die quadratische Gleichung besitzt dann keine reelle Lösung.

Beispiel

Beispiel

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$x^2 - 4\cdot x + 10 = 0$

$x_{1/2} = - \frac{-4}{2}\pm\sqrt{(\frac{-4}{2})^2-10}$

$x_{1/2} = 2 \pm \sqrt{-6}$

$x_{1/2} =$ keine reelle Lösung

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Die p-q-Formel kann insgesamt drei Arten von Lösungen ergeben:

  • zwei reelle Lösungen ($D>0$)
  • eine reelle Lösung ($D=0$)
  • keine reelle Lösung ($D

Jetzt kennst du die pq Formel Erklärung, Herleitung und Anwendung. Dein neu erlerntes Wissen kannst du nun noch an unseren Aufgaben zur pq Formel testen! Viel Erfolg dabei!

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Übungsaufgaben

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In welchem Fall hat eine quadratische Gleichung nur eine reelle Lösung?
($D$ = Diskriminante)

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Wie lautet die p-q-Formel richtig?

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Berechne x mit Hilfe der p-q-Formel und markiere die richtige Lösung:
$-7,5 \cdot x^2 - 120 \cdot x -480 = 0$

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Berechne x mit Hilfe der p-q-Formel und markiere die richtige Lösung:
$2 \cdot x^2 + 20 \cdot x + 18 = 0$

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Ich finde meinen Lehrer sehr gut aber wenn ich mal was ändern möchte kann ich keinen bei der online Nachhilfe erreichen per Telefon. Auch beim Rückruf dauert es sehr sehr lange bis man zurück gerufen wird. Ich würde mir auch bei Studenten, Langzeit Tarife wünschen die billiger sind weil man hat als Student nicht so viel Geld. Aber insgesamt bin ich ganz zufrieden. Mechanik wäre noch gut als Fach.
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