Lektion 2.4

Lineare Ungleichungen

14 min Lesezeit

Du hast 30 Euro. Eine Kinokarte kostet 9 Euro, jede Tüte Popcorn kostet 3 Euro. Wie viele Tüten kannst du höchstens kaufen? Mit xx für die Zahl der Tüten rechnest du 9+3x≤309 + 3x \leq 30. Für x=7x = 7 stimmt es genau: 9+21=309 + 21 = 30. Aber auch x=5x = 5 passt, denn 9+15=249 + 15 = 24 ist weniger als 30.

Anders als bei einer Gleichung gibt es nicht eine Lösung, sondern viele. Du brauchst eine Schreibweise, die alle Lösungen auf einmal beschreibt, und ein sicheres Verfahren, sie zu finden. In dieser Lektion lernst du beides. Dabei gibt es eine Stelle, an der man leicht stolpert: das Rechnen mit negativen Zahlen.

Definition

Lösungsmenge und Zahlengerade

Eine Ungleichung wie x+2<5x + 2 < 5 kennst du aus Klasse 5-6. Ihre Lösungsmenge enthält alle Zahlen, die sie wahr machen. Hier sind es alle Zahlen kleiner als 3, also x<3x < 3. Auch 2,9 und −100-100 gehören dazu. Du kannst sie nicht einzeln aufzählen.

Auf der Zahlengeraden zeichnest du die Lösungsmenge als Strahl. Für x<3x < 3 steht bei 3 ein offener Kreis, und ein Pfeil zeigt nach links. Der offene Kreis sagt: Die 3 gehört nicht dazu. Für x≤3x \leq 3 steht dort ein ausgefüllter Punkt, denn jetzt gehört die 3 dazu.

Definition

Intervallschreibweise

Statt einer Zeichnung schreibst du die Lösungsmenge kurz als Intervall. Das ist ein zusammenhängendes Stück der Zahlengeraden. Du nennst den Anfang und das Ende, getrennt durch ein Semikolon. Eine eckige Klammer, deren Öffnung zum Intervall zeigt, schließt die Zahl ein. Eine Klammer, deren Öffnung vom Intervall wegzeigt, lässt die Zahl draußen. Das Zeichen ∞\infty („unendlich“) sagt, dass es auf dieser Seite ohne Ende weitergeht. Es ist keine Zahl, deshalb steht dort immer eine Klammer, die die Zahl draußen lässt. In manchen Büchern stehen statt der nach außen geöffneten Klammern runde, zum Beispiel (−∞;3)(-\infty; 3).

UngleichungIntervallZahlengerade
x<3x < 3]−∞;3[]-\infty; 3[offener Kreis bei 3, Pfeil nach links
x≤3x \leq 3]−∞;3]]-\infty; 3]ausgefüllter Punkt bei 3, Pfeil nach links
x>−2x > -2]−2;∞[]-2; \infty[offener Kreis bei −2-2, Pfeil nach rechts
x≥−2x \geq -2[−2;∞[[-2; \infty[ausgefüllter Punkt bei −2-2, Pfeil nach rechts
−1≤x<4-1 \leq x < 4[−1;4[[-1; 4[Punkt bei −1-1, offener Kreis bei 4, dazwischen eine Linie
Definition

Äquivalenzumformungen bei Ungleichungen

Du löst eine Ungleichung wie eine Gleichung: Du bringst xx allein auf eine Seite. Addieren und Subtrahieren derselben Zahl auf beiden Seiten lässt das Zeichen unverändert. Auch Multiplizieren und Teilen mit einer positiven Zahl lässt es unverändert.

Bei einer negativen Zahl dreht sich das Zeichen um. Das siehst du an einem Beispiel: Es gilt 2<52 < 5. Mit 3 multipliziert ergibt sich 6<156 < 15, das stimmt noch. Mit −3-3 multipliziert ergeben sich −6-6 und −15-15. Auf der Zahlengeraden liegt −6-6 rechts von −15-15, also gilt −6>−15-6 > -15. Das Zeichen musste sich drehen. Multiplizieren mit einer negativen Zahl spiegelt die Zahlen an der 0, und aus „links“ wird „rechts“. Mit 0 darfst du nicht multiplizieren oder teilen.

2<52⋅3<5⋅3,also 6<152⋅(−3)>5⋅(−3),also −6>−15\begin{aligned} 2 &< 5 \\ 2 \cdot 3 &< 5 \cdot 3, \quad \text{also } 6 < 15 \\ 2 \cdot (-3) &> 5 \cdot (-3), \quad \text{also } -6 > -15 \end{aligned}
Beispiel

Eine Ungleichung lösen

Löse 3x−5<73x - 5 < 7 und mache eine Probe.

3x−5<7∣+53x<12∣:3x<4\begin{aligned} 3x - 5 &< 7 && \mid +5 \\ 3x &< 12 && \mid : 3 \\ x &< 4 \end{aligned}

Du addierst 5 und teilst durch 3. Beides sind positive Rechnungen, das Zeichen bleibt. Die Lösungen sind alle Zahlen kleiner als 4, also L=]−∞;4[L = ]-\infty; 4[. Probe: Für x=3x = 3 ergibt sich 9−5=4<79 - 5 = 4 < 7, das stimmt. Für x=4x = 4 ergibt sich 12−5=712 - 5 = 7, das ist nicht kleiner als 7, die 4 gehört also nicht dazu. Für x=5x = 5 ergibt sich 1010, das ist zu groß.

Beispiel

Durch eine negative Zahl teilen

Löse −2x+3<11-2x + 3 < 11 und mache eine Probe.

−2x+3<11∣−3−2x<8∣:(−2)x>−4\begin{aligned} -2x + 3 &< 11 && \mid -3 \\ -2x &< 8 && \mid : (-2) \\ x &> -4 \end{aligned}

Beim Teilen durch −2-2 dreht sich das Zeichen. Aus << wird >>. Die Lösungen sind alle Zahlen größer als −4-4, also L=]−4;∞[L = ]-4; \infty[. Probe: Für x=0x = 0 ergibt sich 3<113 < 11, das stimmt. Für x=−5x = -5 ergibt sich 10+3=1310 + 3 = 13, und 13 ist nicht kleiner als 11. Die Zahl −5-5 liegt links von −4-4 und ist keine Lösung. Ohne das Umdrehen würde die Probe nicht aufgehen.

Das Zeichen dreht sich im Rechenweg

Drücke auf „Rechnen“. Das Werkzeug zeigt, wann sich das Zeichen umdreht, und nennt die Lösungsmenge als Intervall. Gib danach 3x - 5 < 7 ein. Überlege vorher, ob sich das Zeichen dreht.

Beispiel

Die Unbekannte steht auf beiden Seiten

Löse 5x+2≥2x−75x + 2 \geq 2x - 7 und gib die Lösungsmenge als Intervall an.

5x+2≥2x−7∣−2x3x+2≥−7∣−23x≥−9∣:3x≥−3\begin{aligned} 5x + 2 &\geq 2x - 7 && \mid -2x \\ 3x + 2 &\geq -7 && \mid -2 \\ 3x &\geq -9 && \mid : 3 \\ x &\geq -3 \end{aligned}

Du bringst zuerst die xx auf eine Seite, dann die Zahlen. Teilen durch 3 lässt das Zeichen unverändert. Weil ≥\geq „größer oder gleich“ heißt, gehört −3-3 dazu. Die Lösungsmenge ist L=[−3;∞[L = [-3; \infty[. Probe mit x=−3x = -3: Links −15+2=−13-15 + 2 = -13, rechts −6−7=−13-6 - 7 = -13. Beide Seiten sind gleich, und das ist bei ≥\geq erlaubt. Mit x=0x = 0 ergibt sich 2≥−72 \geq -7, das stimmt auch.

Beispiel

Zurück zum Kino

Löse 9+3x≤309 + 3x \leq 30. Wie viele Tüten Popcorn kannst du höchstens kaufen?

9+3x≤30∣−93x≤21∣:3x≤7\begin{aligned} 9 + 3x &\leq 30 && \mid -9 \\ 3x &\leq 21 && \mid : 3 \\ x &\leq 7 \end{aligned}

Die Lösungsmenge ist L=]−∞;7]L = ]-\infty; 7]. Als reine Rechnung passen alle Zahlen bis 7, auch −2-2 und 4,5. In der Sache zählst du aber Tüten. Es kommen nur die ganzen Zahlen 0 bis 7 in Frage. Du kannst höchstens 7 Tüten kaufen. Erst löst du also die Ungleichung, dann prüfst du, welche Lösungen zur Situation passen.

Häufige Fehler

Das Zeichen nicht gedreht

Jemand löst −3x≥12-3x \geq 12 und schreibt x≥−4x \geq -4.

Richtig ist

Beim Teilen durch −3-3 dreht sich das Zeichen. Richtig ist x≤−4x \leq -4, also L=]−∞;−4]L = ]-\infty; -4]. Die Probe zeigt es: Für x=0x = 0 ist 0≥120 \geq 12 falsch, für x=−5x = -5 ist 15≥1215 \geq 12 wahr.

Häufige Fehler

Das Zeichen ohne Grund gedreht

Jemand löst x−4>−2x - 4 > -2, addiert 4 und schreibt x<2x < 2, weil dort eine negative Zahl steht.

Richtig ist

Es kommt nur darauf an, ob du mit einer negativen Zahl malnimmst oder teilst. Eine negative Zahl in der Ungleichung ändert das Zeichen nicht, und Addieren ändert es auch nicht. Richtig ist x>2x > 2. Probe mit x=3x = 3: 3−4=−1>−23 - 4 = -1 > -2 stimmt.

Häufige Fehler

Falsche Klammer im Intervall

Jemand schreibt für x≥3x \geq 3 das Intervall ]3;∞[]3; \infty[.

Richtig ist

Die 3 gehört zur Lösungsmenge, also muss die Klammer die Zahl einschließen. Richtig ist [3;∞[[3; \infty[. Bei ∞\infty steht dagegen immer die Klammer, die die Zahl draußen lässt.

Zusammenfassung

  • Die Lösungsmenge einer Ungleichung enthält alle Zahlen, die sie wahr machen. Meist sind es unendlich viele.

  • Auf der Zahlengeraden zeichnest du einen Strahl. Ein offener Kreis heißt: Die Zahl gehört nicht dazu. Ein ausgefüllter Punkt heißt: Sie gehört dazu.

  • Intervallschreibweise: x<3x < 3 ist ]−∞;3[]-\infty; 3[ und x≥−2x \geq -2 ist [−2;∞[[-2; \infty[. Bei ∞\infty steht immer die Klammer, die die Zahl draußen lässt.

  • Du löst eine Ungleichung mit Äquivalenzumformungen wie eine Gleichung. Addieren und Subtrahieren ändern das Zeichen nicht.

  • Multiplizierst du mit einer negativen Zahl oder teilst du durch eine, dreht sich das Zeichen um.

  • Bei Sachaufgaben prüfst du nach dem Lösen, welche Lösungen zur Situation passen, zum Beispiel nur ganze Zahlen.

Übungen

Aufgabe 1Numerisch

Löse 4x−7≤134x - 7 \leq 13. Die Lösungsmenge hat eine größte Zahl. Welche ist es?

Aufgabe 2Multiple Choice

Welche Lösung hat die Ungleichung −5x>20-5x > 20?

Aufgabe 3Multiple Choice

Welches Intervall gehört zu x≥−1x \geq -1?

Aufgabe 4Numerisch

Löse 3(x+2)−5>2x+43(x + 2) - 5 > 2x + 4. Welche ist die kleinste ganze Zahl, die eine Lösung ist?

Aufgabe 5Numerisch

Eine Kletterhalle verlangt 8 Euro Eintritt und 2 Euro für jede Stunde. Du hast 25 Euro. Wie viele ganze Stunden kannst du höchstens bleiben?

Aufgabe 6Freitext

Erkläre an dem Beispiel 4<64 < 6, warum sich das Zeichen dreht, wenn du beide Seiten durch −2-2 teilst.