pq-Formel
In diesem Kapitel lernen wir die pq-Formel kennen.
Benötigtes Vorwissen
Die pq-Formel ist eine Lösungsformel für quadratische Gleichungen in Normalform (!).
Kontext
Es gibt vier verschiedene Arten von quadratischen Gleichungen in Normalform:
| Reinquadratisch ohne Absolutglied | \(x^2 = 0\) |
| Reinquadratisch mit Absolutglied | \(x^2 + q = 0\) |
| Gemischtquadratisch ohne Absolutglied | \(x^2 + px = 0\) |
| Gemischtquadratisch mit Absolutglied | \(x^2 + px + q = 0\) |
Grundsätzlich können wir die pq-Formel auf alle vier Arten anwenden. Empfehlenswert ist eine Anwendung allerdings nur für gemischtquadratische Gleichungen mit Absolutglied, weil für die anderen Arten einfachere Lösungsverfahren existieren (\(\rightarrow\) Quadratische Gleichungen lösen).
Quadratische Gleichung in Normalform
\(x^2 + px + q = 0\)
pq-Formel
\(x_{1, 2} = -\dfrac{p}{2} \pm \sqrt{{\fcolorbox{yellow}{}{\(\left(\dfrac{p}{2}\right)^2-q\)}}}\)
Fallunterscheidung
\(x_{1} = -\dfrac{p}{2} - \sqrt{\left(\dfrac{p}{2}\right)^2-q}\)
\(x_{2} = -\dfrac{p}{2} + \sqrt{\left(\dfrac{p}{2}\right)^2-q}\)
Eine quadratische Gleichung kann keine, eine oder zwei Lösungen haben. Welcher Fall vorliegt, können wir an dem Term unter der Wurzel, also an dem Ergebnis von \({\fcolorbox{yellow}{}{\(\left(\dfrac{p}{2}\right)^2-q\)}}\), erkennen.
Anleitung für das Lösen einer quadratischen Gleichung in Normalform mithilfe der pq-Formel:
1) \(p\) und \(q\) aus der Normalform herauslesen
2) \(p\) und \(q\) in die pq-Formel einsetzen
3) Lösungen berechnen
4) Lösungsmenge aufschreiben
Beispiele
- \(x^2 - 4x + 7= 0\)
1) \(p\) und \(q\) aus der Normalform herauslesen
\(p = -4\) und \(q = 7\)
2) \(p\) und \(q\) in die pq-Formel einsetzen
\(\begin{align*}
x_{1,2}
&= -\frac{p}{2} \pm \sqrt{\left(\frac{p}{2}\right)^2-q} \\[5px]
&= -\frac{-4}{2} \pm \sqrt{\left(\frac{-4}{2}\right)^2-7}
\end{align*}\)
3) Lösungen berechnen
\(\begin{align*}
\phantom{x_{1,2}}
&= 2 \pm \sqrt{(-2)^2-7} \\[5px]
&= 2 \pm \sqrt{4-7} \\[5px]
&= 2 \pm \sqrt{{\fcolorbox{yellow}{}{\(-3\)}}} \qquad {\colorbox{yellow}{Wenn \(\left(\frac{p}{2}\right)^2-q < 0\)...}}
\end{align*}\)
Die Wurzel einer negativen Zahl ist nicht definiert!
4) Lösungsmenge aufschreiben
\(\mathbb{L} = \{\,\} \quad \quad {\colorbox{yellow}{...dann gibt es keine Lösung!}}\)
Anmerkung: Wenn wir die Definitionsmenge der quadratischen Gleichung auf die Menge der komplexen Zahlen \(\mathbb{C}\) erweitern, hat diese Gleichung zwei komplexe Lösungen. - \(x^2 - 4x + 4 = 0\)
1) \(p\) und \(q\) aus der Normalform herauslesen
\(p = -4\) und \(q = 4\)
2) \(p\) und \(q\) in die pq-Formel einsetzen
\(\begin{align*}
x_{1,2}
&= -\frac{p}{2} \pm \sqrt{\left(\frac{p}{2}\right)^2-q} \\[5px]
&= -\frac{-4}{2} \pm \sqrt{\left(\frac{-4}{2}\right)^2-4}
\end{align*}\)
3) Lösungen berechnen
\(\begin{align*}
\phantom{x_{1,2}}
&= 2 \pm \sqrt{(-2)^2-4} \\[5px]
&= 2 \pm \sqrt{4-4} \\[5px]
&= 2 \pm \sqrt{{\fcolorbox{yellow}{}{\(0\)}}} \qquad {\colorbox{yellow}{Wenn \(\left(\frac{p}{2}\right)^2-q = 0\)...}} \\[5px]
&= 2 \pm 0
\end{align*}\)
Fallunterscheidung
\(x_1 = 2 - 0 = 2\)
\(x_2 = 2 + 0 = 2\)
4) Lösungsmenge aufschreiben
\(\mathbb{L} = \{2\} \quad \quad {\colorbox{yellow}{...dann gibt es eine Lösung!}}\) - \(x^2 - 4x + 3 = 0\)
1) \(p\) und \(q\) aus der Normalform herauslesen
\(p = -4\) und \(q = 3\)
2) \(p\) und \(q\) in die pq-Formel einsetzen
\(\begin{align*}
x_{1,2}
&= -\frac{p}{2} \pm \sqrt{\left(\frac{p}{2}\right)^2-q} \\[5px]
&= -\frac{-4}{2} \pm \sqrt{\left(\frac{-4}{2}\right)^2-3}
\end{align*}\)
3) Lösungen berechnen
\(\begin{align*}
\phantom{x_{1,2}}
&= 2 \pm \sqrt{(-2)^2-3} \\[5px]
&= 2 \pm \sqrt{4-3} \\[5px]
&= 2 \pm \sqrt{{\fcolorbox{yellow}{}{\(1\)}}} \qquad {\colorbox{yellow}{Wenn \(\left(\frac{p}{2}\right)^2-q > 0\)...}} \\[5px]
&= 2 \pm 1
\end{align*}\)
Fallunterscheidung
\(x_1 = 2 - 1 = 1\)
\(x_2 = 2 + 1 = 3\)
4) Lösungsmenge aufschreiben
\(\mathbb{L} = \{1; 3\} \quad \quad {\colorbox{yellow}{...dann gibt es zwei Lösungen!}}\)
Sonderfälle
Wenn die quadratische Gleichung „anders aussieht“ (Schülerzitat) als in den obigen Beispielen, kommt es oft zu Fehlern beim Herauslesen von \(p\) und \(q\). Hier alle Sonderfälle im Überblick:
| Reinquadratisch ohne Absolutglied |
\(x^2 = 0\) \(p = 0\) und \(q = 0\) |
| Reinquadratisch mit Absolutglied |
\(x^2 - 4 = 0\) \(p = 0\) und \(q = -4\) |
| Gemischtquadratisch ohne Absolutglied |
\(x^2 - 4x = 0\) \(p = -4\) und \(q = 0\) |
| Gemischtquadratisch mit Absolutglied |
\(x^2 - x + 5 = 0\) \(p = -1\) und \(q = 5\) |
Regeln
- Wenn das lineare Glied fehlt, gilt \(p = 0\).
- Wenn das absolute Glied fehlt, gilt \(q = 0\).
- Wenn das \(x\) allein steht, gilt \(p = 1\) (wegen \(1 \cdot x = x\)).
Vorzeichen beachten: \(-x\) führt zu \(p = -1\).
Fehlerquelle
Ich wiederhole mich: Die pq-Formel gilt nur für quadratische Gleichungen in Normalform!
Dass \(-2x^2 + 8x - 12 = 0\) nicht in Normalform vorliegt, sieht jeder.
Dass \(-x^2 + 4x - 6 = 0\) nicht in Normalform vorliegt, wird aber gern übersehen.
(Wir müssen hier durch \(-1\) dividieren, um das negative Vorzeichen von \(x^2\) loszuwerden.)
Die Normalform von \(-x^2 + 4x - 6 = 0\) ist \(x^2 - 4x + 6 = 0\).
(Bei Division durch eine negative Zahl drehen sich alle Vorzeichen um.)
Herleitung der pq-Formel
Notwendiges Vorwissen: Quadratische Gleichungen durch quadratische Ergänzung lösen
Gegeben sei eine quadratische Gleichung in Normalform \(x^2 + px + q = 0\).
1) Quadratische Gleichung in Normalform umformen
Die Gleichung liegt bereits in Normalform vor.
2) Absolutglied auf die rechte Seite bringen
\(\begin{align*}
x^2 + px + q &= 0 &&{\color{gray}|-q} \\[5px]
x^2 + px &= -q
\end{align*}\)
3) Quadratische Ergänzung durchführen
Die quadratische Ergänzung entspricht dem Quadrat der Hälfte des Koeffizienten von \(x\).
\(\begin{align*}
x^2 + {\color{red}p}x &= -q &&{\color{gray}\left|+\left(\frac{{\color{red}p}}{2}\right)^2\right.} \\[5px]
x^2 + px {\color{gray}\,+\,\left(\frac{{\color{red}p}}{2}\right)^2} &= {\color{gray}\left(\frac{{\color{red}p}}{2}\right)^2} - q
\end{align*}\)
4) Binomische Formel anwenden
\(\begin{align*}
{\color{red}x}^2 {\color{red}\,+\,} px + \left({\color{red}\frac{p}{2}}\right)^2 &= \left(\frac{p}{2}\right)^2 - q &&{\color{gray}|\text{ 1. Binomische Formel}} \\[5px]
\left({\color{red}x + \frac{p}{2}}\right)^2 &= \left(\frac{p}{2}\right)^2 - q
\end{align*}\)
5) Wurzel ziehen
\(\begin{align*}
\left(x + \frac{p}{2}\right)^2 &= \left(\frac{p}{2}\right)^2 - q &&{\color{gray}| \sqrt{\phantom{x}}} \\[5px]
x + \frac{p}{2} &= \pm \sqrt{\left(\frac{p}{2}\right)^2 - q}
\end{align*}\)
6) Lösungen berechnen
\(\begin{align*}
x + \frac{p}{2} &= \pm \sqrt{\left(\frac{p}{2}\right)^2 - q} &&{\color{gray}|-\frac{p}{2}}
\end{align*}\)
pq-Formel
\(x_{1, 2} = -\dfrac{p}{2} \pm \sqrt{\left(\dfrac{p}{2}\right)^2 - q}\)
Ausblick
- Der Fachbegriff für den Term unter der Wurzel in der pq-Formel \({\fcolorbox{yellow}{}{\(\left(\dfrac{p}{2}\right)^2-q\)}}\) ist Diskriminante. Wie in den Beispielen angedeutet (siehe Hinweise in gelb), macht die Diskriminante eine Aussage über die Anzahl der Lösungen der quadratischen Gleichung.
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