Lektion 5.4

Lineare Gleichungssysteme mit zwei Variablen

18 min Lesezeit

Im Kino kauft eine Familie 2 Erwachsenenkarten und 1 Kinderkarte und zahlt 26 Euro. Die Preise stehen nicht dabei. Welche Preise sind möglich? Vielleicht kostet eine Erwachsenenkarte 10 Euro und eine Kinderkarte 6 Euro, denn 2 · 10 + 6 = 26. Es passen aber auch 11 Euro und 4 Euro oder 9 Euro und 8 Euro. Eine einzige Angabe reicht nicht aus.

Jetzt kommt eine zweite Familie. Sie kauft 1 Erwachsenenkarte und 3 Kinderkarten und zahlt 28 Euro. Mit beiden Angaben zusammen bleibt nur noch eine Möglichkeit. Wie findest du sie, ohne zu raten? Das lernst du in dieser Lektion.

Definition

Lineares Gleichungssystem und seine Lösung

Sei xx der Preis einer Erwachsenenkarte und yy der Preis einer Kinderkarte, jeweils in Euro. Die beiden Käufe ergeben zwei Gleichungen. Zusammen bilden sie ein lineares Gleichungssystem mit zwei Variablen. „Linear“ heißt: xx und yy kommen nur in der ersten Potenz vor und werden nicht miteinander multipliziert. Die Gleichungen nummerierst du mit I und II.

Eine Lösung des Systems ist ein Zahlenpaar (x∣y)(x \mid y), das beide Gleichungen wahr macht. Das Paar (11∣4)(11 \mid 4) passt zu I, denn 2⋅11+4=262 \cdot 11 + 4 = 26. Zu II passt es nicht, denn 11+3⋅4=2311 + 3 \cdot 4 = 23. Das Paar (10∣6)(10 \mid 6) macht beide Gleichungen wahr. Die Lösungsmenge ist L={(10∣6)}L = \{(10 \mid 6)\}. Die Probe prüft immer beide Gleichungen.

I:2x+y=26II:x+3y=28\begin{aligned} \text{I:}\quad 2x + y &= 26 \\ \text{II:}\quad x + 3y &= 28 \end{aligned}
Definition

Grafisches Lösen

Jede Gleichung mit zwei Variablen kannst du nach yy auflösen. Aus 2x+y=262x + y = 26 wird y=−2x+26y = -2x + 26. Das ist eine Geradengleichung, und alle Lösungspaare dieser Gleichung liegen auf der Geraden. Bei einem System zeichnest du beide Geraden. Ein Paar, das beide Gleichungen erfüllt, liegt auf beiden Geraden. Das ist der Schnittpunkt, und seine Koordinaten sind die Lösung. Beim Ablesen bleibt eine kleine Ungenauigkeit, deshalb machst du immer die Probe.

Beispiel

Grafisch lösen

Löse grafisch: I: x+y=5x + y = 5 und II: 2x−y=12x - y = 1.

I:y=−x+5II:y=2x−1S=(2∣3)\begin{aligned} \text{I:}\quad y &= -x + 5 \\ \text{II:}\quad y &= 2x - 1 \\ S &= (2 \mid 3) \end{aligned}

Du löst beide Gleichungen nach yy auf. Gerade I hat den yy-Achsenabschnitt 5 und die Steigung −1-1. Gerade II hat den yy-Achsenabschnitt −1-1 und die Steigung 2. Du zeichnest beide Geraden, sie schneiden sich bei S(2∣3)S(2 \mid 3). Probe: In I gilt 2+3=52 + 3 = 5. In II gilt 2⋅2−3=12 \cdot 2 - 3 = 1. Die Lösungsmenge ist L={(2∣3)}L = \{(2 \mid 3)\}.

Definition

Einsetzungsverfahren

Zeichnen ist ungenau, Rechnen ist genau. Beim Einsetzungsverfahren gehst du so vor:

  • Löse eine Gleichung nach einer Variablen auf. Am besten wählst du eine, bei der das leicht geht.
  • Setze den Term in die andere Gleichung ein. Dort bleibt nur eine Variable.
  • Löse diese Gleichung.
  • Setze das Ergebnis in die umgestellte Gleichung ein und berechne die zweite Variable.
  • Mache die Probe in beiden Gleichungen.
Beispiel

Die Kinokarten

Löse das System aus der Motivation: I: 2x+y=262x + y = 26 und II: x+3y=28x + 3y = 28.

II:x=28−3yI:2(28−3y)+y=2656−6y+y=2656−5y=26∣−56−5y=−30∣:(−5)y=6x=28−3⋅6=10\begin{aligned} \text{II:}\quad x &= 28 - 3y \\ \text{I:}\quad 2(28 - 3y) + y &= 26 \\ 56 - 6y + y &= 26 \\ 56 - 5y &= 26 && \mid -56 \\ -5y &= -30 && \mid : (-5) \\ y &= 6 \\ x &= 28 - 3 \cdot 6 = 10 \end{aligned}

In II steht xx ohne Zahl davor, deshalb stellst du II nach xx um. Diesen Term setzt du in I ein, in Klammern. Dann bleibt eine Gleichung mit nur yy. Mit y=6y = 6 berechnest du xx. Probe: In I gilt 2⋅10+6=262 \cdot 10 + 6 = 26. In II gilt 10+3⋅6=2810 + 3 \cdot 6 = 28. Eine Erwachsenenkarte kostet 10 Euro, eine Kinderkarte 6 Euro.

Definition

Gleichsetzungsverfahren

Sind beide Gleichungen schon nach derselben Variablen aufgelöst, setzt du die rechten Seiten gleich. Das ist das Gleichsetzungsverfahren. Es ist ein Sonderfall des Einsetzens und dasselbe Vorgehen wie beim Schnittpunkt zweier Geraden. Sind die Gleichungen noch nicht aufgelöst, stellst du sie zuerst beide nach derselben Variablen um.

Beispiel

Gleichsetzen

Löse: I: y=3x−4y = 3x - 4 und II: y=−x+8y = -x + 8.

3x−4=−x+8∣+x4x−4=8∣+44x=12∣:4x=3y=3⋅3−4=5\begin{aligned} 3x - 4 &= -x + 8 && \mid +x \\ 4x - 4 &= 8 && \mid +4 \\ 4x &= 12 && \mid : 4 \\ x &= 3 \\ y &= 3 \cdot 3 - 4 = 5 \end{aligned}

Beide rechten Seiten sind gleich yy, also sind sie gleich. Du löst die Gleichung nach xx und setzt x=3x = 3 in I ein. Probe mit II: −3+8=5-3 + 8 = 5. Die Lösung ist (3∣5)(3 \mid 5).

Definition

Additionsverfahren

Beim Additionsverfahren addierst du die beiden Gleichungen. Das darfst du, weil auf beiden Seiten dasselbe dazukommt. Ein Beispiel: I: x+y=7x + y = 7 und II: x−y=1x - y = 1. Addierst du sie, fällt yy weg: 2x=82x = 8, also x=4x = 4. Dann ist y=3y = 3.

Meist fällt noch nichts weg. Dann multiplizierst du eine oder beide Gleichungen vorher mit passenden Zahlen, damit eine Variable gegensätzliche Zahlen bekommt. Du multiplizierst immer beide Seiten. Haben beide Gleichungen dieselbe Zahl vor einer Variablen, kannst du auch subtrahieren.

Beispiel

Additionsverfahren mit Multiplizieren

Löse: I: 4x+3y=294x + 3y = 29 und II: 3x−2y=93x - 2y = 9.

I⋅2:8x+6y=58II⋅3:9x−6y=27Summe:17x=85x=54⋅5+3y=29  ⇒  y=3\begin{aligned} \text{I} \cdot 2:\quad 8x + 6y &= 58 \\ \text{II} \cdot 3:\quad 9x - 6y &= 27 \\ \text{Summe:}\quad 17x &= 85 \\ x &= 5 \\ 4 \cdot 5 + 3y &= 29 \;\Rightarrow\; y = 3 \end{aligned}

Du willst yy loswerden. Die Zahlen vor yy sind 3 und −2-2. Das kleinste gemeinsame Vielfache von 3 und 2 ist 6. Deshalb multiplizierst du I mit 2 und II mit 3. Dann stehen +6y+6y und −6y-6y da. Beim Addieren fällt yy weg. Mit x=5x = 5 rechnest du yy aus I aus. Probe mit II: 3⋅5−2⋅3=93 \cdot 5 - 2 \cdot 3 = 9.

Definition

Lösbarkeit und Lösungsvielfalt

Zwei Geraden können sich schneiden, parallel verlaufen oder zusammenfallen. Daraus ergeben sich drei Fälle:

  • Genau eine Lösung: Die Geraden schneiden sich. Das ist der Normalfall.
  • Keine Lösung: Die Geraden sind parallel. Beim Rechnen entsteht eine falsche Aussage wie 1=−31 = -3. Die Lösungsmenge ist leer, L={}L = \{\}.
  • Unendlich viele Lösungen: Die Geraden sind identisch. Beim Rechnen entsteht eine wahre Aussage wie 0=00 = 0, oder die beiden Gleichungen sind in Wahrheit dieselbe. Jeder Punkt der Geraden ist eine Lösung.
Beispiel

Keine oder unendlich viele Lösungen

a) I: y=2x+1y = 2x + 1 und II: y=2x−3y = 2x - 3. b) I: x+y=4x + y = 4 und II: 2x+2y=82x + 2y = 8.

a)  2x+1=2x−3∣−2x1=−3(falsch)b)  2x+2y=8∣:2x+y=4(wie I)\begin{aligned} \text{a)}\; 2x + 1 &= 2x - 3 && \mid -2x \\ 1 &= -3 && \text{(falsch)} \\[0.6em] \text{b)}\; 2x + 2y &= 8 && \mid : 2 \\ x + y &= 4 && \text{(wie I)} \end{aligned}

In a) haben beide Geraden die Steigung 2, aber verschiedene yy-Achsenabschnitte. Sie sind parallel, und es gibt keine Lösung. In b) wird II durch 2 geteilt, und es entsteht genau I. Beide Gleichungen beschreiben dieselbe Gerade y=4−xy = 4 - x. Alle Paare (x∣4−x)(x \mid 4 - x) sind Lösungen, zum Beispiel (0∣4)(0 \mid 4), (1∣3)(1 \mid 3) und (2∣2)(2 \mid 2).

Definition

Sachaufgaben

Bei Sachaufgaben, die auf ein Gleichungssystem führen, gehst du so vor:

  • Lege fest, was die beiden Variablen bedeuten.
  • Stelle aus dem Text zwei Gleichungen auf.
  • Löse das System mit einem Verfahren deiner Wahl. Das Einsetzen passt, wenn eine Variable allein steht oder leicht freizustellen ist. Das Addieren passt, wenn die Zahlen vor einer Variablen gleich oder gegensätzlich sind.
  • Mache die Probe am Text, nicht nur an den Gleichungen, und schreibe einen Antwortsatz.
Beispiel

Hühner und Kaninchen

Auf einem Hof leben Hühner und Kaninchen. Zusammen sind es 20 Tiere mit 56 Beinen. Wie viele Hühner und wie viele Kaninchen sind es?

I:h+k=20II:2h+4k=56h=20−k2(20−k)+4k=5640+2k=56  ⇒  k=8h=20−8=12\begin{aligned} \text{I:}\quad h + k &= 20 \\ \text{II:}\quad 2h + 4k &= 56 \\[0.6em] h &= 20 - k \\ 2(20 - k) + 4k &= 56 \\ 40 + 2k &= 56 \;\Rightarrow\; k = 8 \\ h &= 20 - 8 = 12 \end{aligned}

Sei hh die Zahl der Hühner und kk die Zahl der Kaninchen. Ein Huhn hat 2 Beine, ein Kaninchen 4. Daraus entstehen die Gleichungen I und II. Du stellst I nach hh um und setzt in II ein. Probe am Text: 12+8=2012 + 8 = 20 Tiere und 12⋅2+8⋅4=24+32=5612 \cdot 2 + 8 \cdot 4 = 24 + 32 = 56 Beine. Es sind 12 Hühner und 8 Kaninchen.

Häufige Fehler

Nur eine Variable ausrechnen

Jemand löst I: x+y=7x + y = 7 und II: x−y=1x - y = 1, bekommt x=4x = 4 und schreibt L={4}L = \{4\}.

Richtig ist

Eine Lösung ist ein Paar. Du musst auch yy berechnen: 4+y=74 + y = 7 ergibt y=3y = 3. Die Lösung ist (4∣3)(4 \mid 3), also L={(4∣3)}L = \{(4 \mid 3)\}.

Häufige Fehler

Beim Einsetzen die Klammer vergessen

Jemand setzt x=28−3yx = 28 - 3y in 2x+y=262x + y = 26 ein und schreibt 2⋅28−3y+y=262 \cdot 28 - 3y + y = 26.

Richtig ist

Der Term 28−3y28 - 3y muss in Klammern stehen, denn die 2 gehört zu beiden Teilen: 2(28−3y)+y=262(28 - 3y) + y = 26. Ausmultipliziert ist das 56−6y+y=2656 - 6y + y = 26.

Häufige Fehler

Nur eine Seite multiplizieren

Jemand multipliziert II: 3x−2y=93x - 2y = 9 mit 3 und schreibt 9x−6y=99x - 6y = 9.

Richtig ist

Beim Multiplizieren musst du beide Seiten mit der Zahl malnehmen. Richtig ist 9x−6y=279x - 6y = 27.

Zusammenfassung

  • Ein lineares Gleichungssystem besteht aus zwei Gleichungen mit zwei Variablen. Eine Lösung ist ein Zahlenpaar (x∣y)(x \mid y), das beide Gleichungen wahr macht. Die Probe prüft beide.

  • Grafisch löst du es, indem du beide Gleichungen nach yy auflöst, die Geraden zeichnest und den Schnittpunkt abliest. Das ist nur ungefähr genau.

  • Einsetzungsverfahren: Stelle eine Gleichung nach einer Variablen um und setze den Term in die andere Gleichung ein.

  • Gleichsetzungsverfahren: Löse beide Gleichungen nach derselben Variablen auf und setze die rechten Seiten gleich.

  • Additionsverfahren: Multipliziere die Gleichungen so, dass eine Variable gegensätzliche Zahlen hat, und addiere. Die Variable fällt weg.

  • Es gibt genau eine Lösung (die Geraden schneiden sich), keine Lösung (parallel, falsche Aussage) oder unendlich viele Lösungen (identisch, wahre Aussage wie 0=00 = 0).

  • Bei Sachaufgaben legst du die Variablen fest, stellst zwei Gleichungen auf, löst, machst die Probe am Text und schreibst einen Antwortsatz.

Übungen

Aufgabe 1Numerisch

Löse das System I: y=x+2y = x + 2 und II: 2x+y=112x + y = 11. Wie groß ist xx?

Aufgabe 2Multiple Choice

Welches Paar löst das System I: x+y=9x + y = 9 und II: x−y=3x - y = 3?

Aufgabe 3Numerisch

Löse I: 2x+3y=132x + 3y = 13 und II: 2x−3y=−52x - 3y = -5 mit dem Additionsverfahren. Wie groß ist yy?

Aufgabe 4Multiple Choice

Wie viele Lösungen hat das System I: y=3x−1y = 3x - 1 und II: 2y=6x−22y = 6x - 2?

Aufgabe 5Numerisch

Eine Mutter ist dreimal so alt wie ihre Tochter. Zusammen sind sie 48 Jahre alt. Wie alt ist die Tochter?

Aufgabe 6Freitext

Im Schulcafé kosten 3 Brötchen und 2 Getränke zusammen 7 Euro. 2 Brötchen und 3 Getränke kosten zusammen 8 Euro. Stelle ein Gleichungssystem auf und berechne, was ein Brötchen und was ein Getränk kostet.