Exponentialgleichung lösen mit e^x und x

Aufrufe: 813     Aktiv: 28.04.2020 um 21:25

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Moin, Ich habe ein Problem in folgender Gleichung:

\(e^x-1=2*x\)

Danke für Lösungen und Lösungsansätze.

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Schüler, Punkte: 58

 
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Ich würde dir dennoch kurz das Newton Verfahren zum numerischen Lösen solcher Gleichungen vorstellen.

Du hast den Term \( e^x - 1 = 2x \Leftrightarrow 0 = 2x - e^x + 1 \).

Mathematisch gesehen entspricht diese Gleichung also dem Bestimmen der Nullstelle der Funktion \( f(x) = 2x - e^x + 1 \)

Wie oben bereits in den Kommentaren erwähnt, ist das Newton Verfahren ein approximatives Lösungsverfahren, d.h. du startest mit einem Startwert \( x_0 \) und berechnest für den deine nächste Näherung \( x_1 \). Diese Lösung verwendest du wiederum um \( x_2 \) zu bestimmen, bis du hinreichend nah an der gewünschten Lösung bist.

Das Newton Verfahren ist dann definiert durch:

\( x_{k+1} = x_k - \frac{f(x_k)}{f'(x_k)} \)

Das heißt du berechnest die neue Lösung in dem du die alte Lösung in die Funktion und die entsprechende Ableitung einsetzt.

Die Ableitung in deinem Fall lautet: \( f'(x) = 2 - e^x \)

Starten wir nun mit dem Startwert \( x_0 = 1 \). Dann ergibt sich daraus die nächste Lösung durch

\( x_1 = 1 - \frac{2\cdot 1 - e^1 + 1}{2 - e^1} = 1 - \frac{0,2817}{-0,7182} =1,3922 \)

Zur Kontrolle: \( f(x_1) = -0,2392 \)

Wir sind also noch nicht nah genug an der Nullstelle dran. Also müssen wir das ganze nochmal wiederholen mit \( x_1 = 1,3922 \), um \( x_2 \) zu bestimmen

\( x_2 = 1,3922 - \frac{-0,2392}{-2,0237} = 1,274 \)

Auch hier wieder die Kontrolle: \( f(x_2) = -0,0271 \) - Wir erkennen also, dass wir uns der tatsächlichen Lösung annähern.

\( x_3 = 1,274 - \frac{-0,0271}{-1,575} = 1,2568 \)

Der Funktionswert für diese Lösung lautet: \( f(x_3) = -0,00056 \).

Numerisch gesehen befinden wir uns mit unserer Lösung \( x_3 \) somit sehr nah an der gesucht Nullstelle. Demzufolge können wir festhalten, dass eine Lösung deiner Gleichung ungefähr \( x = x_3 = 1,2568 \) beträgt.

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M.Sc., Punkte: 6.68K

 

Vielen Dank für die Erklärung ich werde dies so übernehmen und meinem Lehrer dann als Lösung vorlegen.   ─   erikweidling 28.04.2020 um 18:44

Welche Klasse bist du denn?   ─   el_stefano 28.04.2020 um 19:02

11te
  ─   erikweidling 28.04.2020 um 21:25

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Kennst du numerische Lösungsverfahren, wie z.B. das Newton Verfahren und dürft ihr das gegebenenfalls anwenden?

Denn ich sehe keine Möglichkeit das x irgendwie geeignet zu isolieren, um den Lösungswert dann zu bestimmen. Denn irgendwie müsste man ja definitiv den Logarithmus anwenden, dann hat man jedoch auch wieder \( ln(x) \) in der Gleichung stehen, was einem auch nicht weiter hilft. Von daher gehe ich davon aus, dass man das ganze numerisch lösen kann/sollte.

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M.Sc., Punkte: 6.68K

 

Nein ich kenne das Newton Verfahren nicht und glaube auch nicht das wir dies hier Anwenden sollen, denn unser Mathematiklehrer hat nichts davon erwähnt. Du kannst mir aber gerne einmal den Lösungsweg davon schreiben.   ─   erikweidling 28.04.2020 um 16:55

Das Newton Verfahren ist ein approximatives Verfahren zum Lösen von Gleichungen. Dabei bestimmst du eine Folge \( x_0,x_1, x_2, ... \) von Lösungen, die bei geeigneter Wahl des Startwertes gegen die tatsächliche Lösung konvergiert.

Wenn ihr das jedoch nicht hattet, dann weiß ich nicht, ob das wirklich der richtige Weg ist. Vielleicht gibt es ja noch jemand anderen, der etwas sieht, was ich bisher übersehen habe.
  ─   el_stefano 28.04.2020 um 16:59

Ok trotzdem vielen Dank.   ─   erikweidling 28.04.2020 um 17:00

Eine triviale Lösung, die man ohne groß rumrechnen findet, ist \( x = 0 \). Die findet man sogar im Kopf :D   ─   el_stefano 28.04.2020 um 17:05

Das stimmt natürlich die Frage wäre dann nur wie komme ich rechnerisch zu der 0   ─   erikweidling 28.04.2020 um 17:06

Es gibt ja sogar noch eine weitere Lösung, von daher reicht es ja nicht nur die 0 zu berechnen.   ─   el_stefano 28.04.2020 um 17:41

ja ok trotzdem nochmal vielen Dank für deine Hilfe.   ─   erikweidling 28.04.2020 um 17:42

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