Gleichungen durch Substitution lösen
Du lernst, biquadratische Gleichungen wie x⁴ − 6x² + 8 = 0 mit der Substitution z = x² zu lösen, ohne eine Lösung zu verlieren.
Kurz gesagt
Beim Lösen durch Substitution ersetzt du einen wiederkehrenden Term durch eine neue Variable, bei x^4-6x^2+8=0 zum Beispiel z=x^2. Dann löst du die quadratische Gleichung z^2-6z+8=0 und setzt zurück: Aus z=2 und z=4 folgen x=\pm\sqrt2 und x=\pm2.
Bei einer Substitution ersetzt du einen wiederkehrenden Term durch eine neue Variable. So wird aus einer Gleichung höheren Grades eine bekannte, einfachere Gleichung. Danach setzt du zurück und bestimmst die Lösungen der ursprünglichen Gleichung.
Deine Lernziele
Betrachte die Gleichung x^4-6x^2+8=0. Die Unbekannte kommt nur als x^4 und x^2 vor. Weil x^4=(x^2)^2 gilt, kannst du den wiederkehrenden Term x^2 ersetzen. Dann wird aus x^4 der Term z^2 und aus x^2 der Term z: x^4-6x^2+8=0 \quad\longrightarrow\quad z^2-6z+8=0. Die neue Gleichung ist quadratisch und lässt sich mit einem bekannten Verfahren lösen.
Substitution
Bei einer Substitution ersetzt du einen geeigneten Term vorübergehend durch eine neue Variable. Für eine biquadratische Gleichung der Form ax^4+bx^2+c=0 wählst du meist z=x^2.
Merke: Substitution passt, wenn sich alle Potenzen der Unbekannten als Potenzen desselben Terms schreiben lassen. Bei x^4 und x^2 ist dieser Term x^2.
Teste dich
Erkennen: Suche einen Term, der mehrfach als Potenz vorkommt. Substituieren: Setze zum Beispiel z=x^2 und schreibe die Gleichung vollständig in z um. Lösen: Löse die einfachere Gleichung und bestimme alle möglichen z-Werte. Rücksubstituieren: Ersetze z wieder durch x^2 und löse jede entstehende Gleichung nach x. Die z-Werte sind nur Zwischenergebnisse. Erst nach der Rücksubstitution erhältst du die Lösungen der ursprünglichen Gleichung. Bei z=x^2 musst du außerdem beachten: Für z>0 entstehen zwei reelle Werte, nämlich x=\pm\sqrt z. Für z=0 entsteht nur x=0. Ein negativer z-Wert liefert keine reelle Lösung, weil ein Quadrat nicht negativ sein kann. Im Beispiel unten sind beide z-Werte positiv. Deshalb liefert jeder zwei x-Werte, und die Gleichung hat vier Lösungen.
Beispiel: x^4-6x^2+8=0 lösen
- 1Substituieren: z=x^2, also z^2-6z+8=0
- 2Lösen: z^2-6z+8=(z-2)(z-4)=0
- 3Satz vom Nullprodukt: z_1=2 oder z_2=4
- 43. Rücksubstituieren: x^2=2 \Rightarrow x=\pm\sqrt2
- 5x^2=4 \Rightarrow x=\pm2
- 64. Lösungsmenge: L=\{-2;-\sqrt2;\sqrt2;2\}
Teste dich
Nicht zu früh aufhören: z_1=2 und z_2=4 sind noch nicht die gesuchten x-Lösungen. Schreibe nach der Ersatzgleichung immer ausdrücklich x^2=z auf. Das Plus-minus mitnehmen: Aus x^2=4 folgt nicht nur x=2, sondern x=-2 oder x=2. Beide Zahlen haben das Quadrat 4. Vollständig substituieren: In der Ersatzgleichung darf kein x mehr stehen. z^2-6x^2+8=0 ist noch nicht fertig. Mit der Ausgangsgleichung prüfen: Setze die gefundenen Zahlen in die ursprüngliche Gleichung ein.
Beispiel: Probe für x^4-6x^2+8=0
- 1x=2: 2^4-6\cdot2^2+8=16-24+8=0
- 2x=-\sqrt2: (-\sqrt2)^4-6\cdot(-\sqrt2)^2+8=4-12+8=0
Merke: Die z-Werte sind nur Zwischenergebnisse. Fertig bist du erst mit der Lösungsmenge in x.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Lösen durch Substitution
x^4=(x^2)^2; wiederkehrenden Term wählen
z=x^2 einsetzen; quadratische Gleichung bearbeiten
positive, null oder negative z-Werte unterscheiden; alle reellen x-Lösungen bestimmen
Lösungsmenge angeben; Probe in der Ausgangsgleichung
x^4-5x^2+4=0 lösen
- 1Substituieren: z=x^2, also z^2-5z+4=0
- 2Faktorisieren: (z-1)(z-4)=0
- 3z_1=1 und z_2=4
- 4x^2=1 \Rightarrow x=\pm1
- 5x^2=4 \Rightarrow x=\pm2
- 6L=\{-2;-1;1;2\}
Fehler finden
Fehler in Zeile 3Beim Rücksubstituieren fehlt das \pm: x^2=1 ergibt x=\pm1, x^2=9 ergibt x=\pm3. Richtig ist L=\{-3;-1;1;3\}.
Lückentext
Bei x^4-5x^2+4=0 setzt du . Aus x^2=4 folgt . Ein negativer z-Wert liefert reelle Lösungen.