Lektion 2.5

Betrag in Gleichungen und Funktionen

13 min Lesezeit

Ein Thermometer zeigt −3-3 Grad. Wie weit ist das von 0 Grad entfernt? Die Antwort ist 3 Grad, egal ob es 3 Grad über oder unter null ist. In einem Haus mit Keller gilt dasselbe: Stockwerk 2 und Stockwerk −2-2 sind gleich weit vom Erdgeschoss entfernt.

Diesen Abstand zur 0 kennst du als Betrag. Jetzt stellen sich zwei neue Fragen. Welche Zahlen haben den Betrag 4? Das ist eine Gleichung mit einem Betrag. Und wie sieht der Graph aus, wenn du jeder Zahl ihren Betrag zuordnest? Beides klärst du in dieser Lektion.

Definition

Betrag, abschnittsweise definiert

Der Betrag ∣a∣|a| einer Zahl aa ist ihr Abstand von der 0 auf der Zahlengeraden. Es gilt ∣3∣=3|3| = 3 und ∣−3∣=3|-3| = 3. Ein Betrag ist nie negativ. Du kannst die Rechnung in zwei Fällen aufschreiben:

  • Ist a≥0a \geq 0, dann ist ∣a∣=a|a| = a.
  • Ist a<0a < 0, dann ist ∣a∣=−a|a| = -a. Das Minus macht aus der negativen Zahl eine positive. Für a=−3a = -3 ist −a=3-a = 3.

Eine Vorschrift mit mehreren Fällen heißt abschnittsweise definiert: Für verschiedene Abschnitte der Zahlengeraden gilt eine andere Rechnung. Du schreibst die Fälle untereinander hinter eine große Klammer.

∣a∣={afu¨r a≥0−afu¨r a<0|a| = \begin{cases} a & \text{für } a \geq 0 \\ -a & \text{für } a < 0 \end{cases}
Definition

Betragsgleichung

Eine Gleichung, in der die Unbekannte in einem Betrag steckt, heißt Betragsgleichung. Die einfachste ist ∣x∣=4|x| = 4. Du suchst Zahlen mit dem Abstand 4 von der 0. Das sind 4 und −4-4, also L={−4;4}L = \{-4; 4\}. Bei ∣x∣=0|x| = 0 gibt es nur die 0. Bei ∣x∣=−3|x| = -3 gibt es keine Lösung, denn ein Abstand ist nie negativ.

Steht im Betrag ein Term, zum Beispiel ∣x−2∣=3|x - 2| = 3, löst du in zwei Fällen. Der Term im Betrag ist entweder 3 oder −3-3. Für eine Zahl c>0c > 0 gilt: ∣A∣=c|A| = c heißt A=cA = c oder A=−cA = -c. Dabei steht AA für den Term im Betrag. Anschaulich ist x−2x - 2 der Unterschied zwischen xx und 2, und sein Betrag ist der Abstand der beiden Zahlen. Gesucht sind also die Zahlen, die von 2 den Abstand 3 haben.

Beispiel

Betragsgleichungen lösen

Löse a) ∣x−2∣=3|x - 2| = 3 und b) ∣2x+1∣=7|2x + 1| = 7.

a)  x−2=3oderx−2=−3x=5oderx=−1b)  2x+1=7oder2x+1=−7x=3oderx=−4\begin{aligned} \text{a)}\; & x - 2 = 3 \quad \text{oder} \quad x - 2 = -3 \\ & x = 5 \quad \text{oder} \quad x = -1 \\[0.6em] \text{b)}\; & 2x + 1 = 7 \quad \text{oder} \quad 2x + 1 = -7 \\ & x = 3 \quad \text{oder} \quad x = -4 \end{aligned}

In a) setzt du den Term im Betrag gleich 3 und gleich −3-3. Beide Gleichungen sind linear, du löst sie einzeln. Es ist L={−1;5}L = \{-1; 5\}. Probe: ∣5−2∣=3|5 - 2| = 3 und ∣−1−2∣=∣−3∣=3|-1 - 2| = |-3| = 3. In b) gibt 2x+1=72x + 1 = 7 die Lösung x=3x = 3. Aus 2x+1=−72x + 1 = -7 folgt 2x=−82x = -8 und x=−4x = -4. Es ist L={−4;3}L = \{-4; 3\}. Probe: ∣2⋅3+1∣=7|2 \cdot 3 + 1| = 7 und ∣2⋅(−4)+1∣=∣−7∣=7|2 \cdot (-4) + 1| = |-7| = 7.

Beispiel

Den Betrag zuerst allein stellen

Löse c) 2∣x∣−3=72|x| - 3 = 7 und d) ∣x+5∣=−2|x + 5| = -2.

c)  2∣x∣−3=7∣+32∣x∣=10∣:2∣x∣=5x=5oderx=−5\begin{aligned} \text{c)}\; 2|x| - 3 &= 7 && \mid +3 \\ 2|x| &= 10 && \mid : 2 \\ |x| &= 5 \\ x = 5 \quad &\text{oder} \quad x = -5 \end{aligned}

In c) stellst du zuerst den Betrag allein, so wie du sonst xx allein stellst. Erst wenn ∣x∣|x| allein steht, nutzt du die Regel mit den zwei Fällen. Es ist L={−5;5}L = \{-5; 5\}. Probe: 2⋅∣5∣−3=72 \cdot |5| - 3 = 7 und 2⋅∣−5∣−3=72 \cdot |-5| - 3 = 7. In d) steht links ein Abstand und rechts eine negative Zahl. Ein Betrag ist nie negativ, also gibt es keine Lösung: L={}L = \{\}.

Definition

Betragsfunktion

Du ordnest jeder Zahl xx ihren Betrag zu. Eine Vorschrift, die jeder Zahl xx genau eine Zahl yy zuordnet, heißt auch Funktion. Du schreibst y=∣x∣y = |x| oder f(x)=∣x∣f(x) = |x| und sprichst „f von x“. Der Ausdruck f(−3)f(-3) heißt: Setze −3-3 für xx ein. Es ist f(−3)=∣−3∣=3f(-3) = |-3| = 3. Diese Funktion heißt Betragsfunktion. Weil der Betrag abschnittsweise definiert ist, gilt dasselbe für die Funktion.

xx−3-3−2-2−1-100112233
∣x∣|x|3210123

Trägst du die Punkte in ein Koordinatensystem ein, entsteht ein V. Rechts von der 0 liegen die Punkte auf der Geraden y=xy = x, links auf der Geraden y=−xy = -x. Beide Geraden treffen sich im Punkt O(0∣0)O(0|0). Der Graph liegt nie unter der xx-Achse.

f(x)=∣x∣={xfu¨r x≥0−xfu¨r x<0f(x) = |x| = \begin{cases} x & \text{für } x \geq 0 \\ -x & \text{für } x < 0 \end{cases}
Beispiel

Eine verschobene Betragsfunktion

Stelle die Wertetabelle von g(x)=∣x−2∣g(x) = |x - 2| auf und gib gg abschnittsweise an. Wo erreicht der Graph die Höhe 3?

g(x)=∣x−2∣={x−2fu¨r x≥2−(x−2)=2−xfu¨r x<2g(x) = |x - 2| = \begin{cases} x - 2 & \text{für } x \geq 2 \\ -(x - 2) = 2 - x & \text{für } x < 2 \end{cases}

Du setzt jede Zahl für xx ein, zum Beispiel g(0)=∣0−2∣=2g(0) = |0 - 2| = 2 und g(4)=∣4−2∣=2g(4) = |4 - 2| = 2.

xx−1-1001122334455
g(x)g(x)3210123

Der Betrag ändert seine Rechnung dort, wo der Term im Betrag 0 wird, hier bei x=2x = 2. Für x≥2x \geq 2 ist x−2x - 2 nicht negativ, der Betrag ändert nichts. Für x<2x < 2 ist x−2x - 2 negativ, du setzt ein Minus davor und bekommst 2−x2 - x. Der Knick des V liegt bei x=2x = 2. Die Höhe 3 erreicht der Graph bei x=−1x = -1 und bei x=5x = 5. Das sind genau die Lösungen von ∣x−2∣=3|x - 2| = 3 aus dem ersten Beispiel.

Der Graph der Betragsfunktion

Fahre mit der Maus über den Graphen und lies unten den Wert ab. Suche die beiden Stellen, an denen der Wert etwa 3 ist. Du findest sie bei x = -1 und x = 5. Welchen Wert hat der Graph am Knick?

Häufige Fehler

Nur eine Lösung

Jemand löst ∣x−2∣=3|x - 2| = 3 nur mit x−2=3x - 2 = 3 und gibt L={5}L = \{5\} an.

Richtig ist

Der Betrag ist auch 3, wenn der Term im Betrag −3-3 ist. Du brauchst beide Fälle. Richtig ist L={−1;5}L = \{-1; 5\}.

Häufige Fehler

Das Minus einfach streichen

Jemand sagt: „Es gilt ∣−x∣=x|-x| = x, denn der Betrag macht das Minus weg.“

Richtig ist

Der Betrag macht eine negative Zahl positiv. Ob −x-x negativ ist, hängt von xx ab. Für x=−2x = -2 ist −x=2-x = 2 und ∣−x∣=2|-x| = 2, aber x=−2x = -2. Richtig ist ∣−x∣=∣x∣|-x| = |x|.

Häufige Fehler

Negative rechte Seite

Jemand löst ∣x∣=−3|x| = -3 mit x=3x = 3 oder x=−3x = -3.

Richtig ist

Probe: ∣3∣=3|3| = 3 und ∣−3∣=3|-3| = 3, aber verlangt ist −3-3. Ein Betrag ist nie negativ, deshalb hat die Gleichung keine Lösung.

Zusammenfassung

  • Der Betrag ∣a∣|a| ist der Abstand von aa zur 0. Er ist nie negativ. Für a≥0a \geq 0 ist ∣a∣=a|a| = a, für a<0a < 0 ist ∣a∣=−a|a| = -a.

  • Eine abschnittsweise definierte Vorschrift hat für verschiedene Abschnitte der Zahlengeraden verschiedene Rechnungen.

  • Für c>0c > 0 gilt: ∣A∣=c|A| = c heißt A=cA = c oder A=−cA = -c. Bei ∣A∣=0|A| = 0 ist A=0A = 0, bei negativem cc gibt es keine Lösung.

  • Steht der Betrag nicht allein, stellst du ihn zuerst allein. Mache die Probe mit beiden Lösungen.

  • Die Betragsfunktion f(x)=∣x∣f(x) = |x| hat als Graph ein V mit der Spitze im Ursprung. Bei ∣x−2∣|x - 2| liegt der Knick bei x=2x = 2.

  • Die Lösungen von ∣x−2∣=3|x - 2| = 3 sind die Stellen, an denen der Graph von ∣x−2∣|x - 2| die Höhe 3 hat.

Übungen

Aufgabe 1Numerisch

Berechne ∣−7∣+∣4∣−∣−2∣|-7| + |4| - |-2|.

Aufgabe 2Multiple Choice

Welche Zahlen lösen die Gleichung ∣x∣=6|x| = 6?

Aufgabe 3Numerisch

Die Gleichung ∣x−4∣=9|x - 4| = 9 hat zwei Lösungen. Wie lautet die größere?

Aufgabe 4Numerisch

Wie viele Lösungen hat die Gleichung ∣2x−6∣=−1|2x - 6| = -1?

Aufgabe 5Multiple Choice

Welche Aussage über den Graphen von f(x)=∣x−3∣f(x) = |x - 3| stimmt?

Aufgabe 6Freitext

Schreibe h(x)=∣x+1∣h(x) = |x + 1| abschnittsweise auf und löse h(x)=4h(x) = 4.