Unter einer Gleichung versteht man in der Mathematik eine Aussage über die Gleichheit zweier Terme die mit Hilfe des Gle
Analytische Lösung

Unter einer Gleichung versteht man in der Mathematik eine Aussage über die Gleichheit zweier Terme, die mit Hilfe des Gleichheitszeichens („=“) symbolisiert wird. Formal hat eine Gleichung die Gestalt
- ,
wobei der Term die linke Seite und der Term die rechte Seite der Gleichung genannt wird. Gleichungen sind entweder wahr beziehungsweise erfüllt (beispielsweise ) oder falsch (beispielsweise ). Wenn zumindest einer der Terme von Variablen abhängig ist, liegt nur eine Aussageform vor; ob die Gleichung wahr oder falsch ist, hängt dann von den konkreten eingesetzten Werten ab. Die Werte der Variablen, für die die Gleichung erfüllt ist, heißen Lösungen der Gleichung. Liegen zwei oder mehr Gleichungen vor, spricht man auch von einem Gleichungssystem. Eine Lösung eines Gleichungssystems muss alle Gleichungen gleichzeitig erfüllen.
Typen von Gleichungen
Gleichungen werden in vielen Zusammenhängen verwendet; dementsprechend gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Gleichungen nach unterschiedlichen Gesichtspunkten einzuteilen. Die jeweiligen Einteilungen sind zu einem großen Teil unabhängig voneinander, eine Gleichung kann in mehrere dieser Gruppen fallen. So ist es etwa sinnvoll, von einem System linearer partieller Differentialgleichungen zu sprechen.
Einteilung nach Gültigkeit
Identitätsgleichungen
Gleichungen können allgemeingültig sein, also durch Einsetzen aller Variablenwerte aus einer gegebenen Grundmenge oder zumindest aus einer vorher definierten Teilmenge davon wahr sein. Solche Gleichungen werden als Identitätsgleichungen oder Identitäten bezeichnet. Die Allgemeingültigkeit kann entweder aus anderen Axiomen gefolgert werden oder selber als Axiom vorausgesetzt werden.
Beispiele sind:
- Der Satz des Pythagoras: ist wahr für rechtwinklige Dreiecke, falls die dem rechten Winkel gegenüberliegende Seite (Hypotenuse) und die Katheten bezeichnen.
- Das Assoziativgesetz: ist wahr für alle natürlichen Zahlen und allgemein für beliebige Elemente einer Gruppe (als Axiom).
- Die erste binomische Formel: ist wahr für alle reellen Zahlen .
- Die eulersche Identität: ist wahr für alle reellen .
In diesem Zusammenhang spricht man auch von einem mathematischen Satz oder Gesetz. Zur Unterscheidung von nicht allgemeingültigen Gleichungen wird bei Identitäten statt des Gleichheitszeichens auch das Kongruenzzeichen („≡“) verwendet.
Bestimmungsgleichungen
Häufig besteht eine Aufgabenstellung darin, alle Variablenbelegungen zu bestimmen, für die die Gleichung wahr wird. Diesen Vorgang bezeichnet man als Lösen der Gleichung. Zur Unterscheidung von Identitätsgleichungen werden solche Gleichungen als Bestimmungsgleichungen bezeichnet. Die Menge der Variablenbelegungen, für die die Gleichung wahr ist, bezeichnet man als Lösungsmenge der Gleichung. Wenn es sich bei der Lösungsmenge um die leere Menge handelt, so bezeichnet man die Gleichung als unlösbar oder unerfüllbar.
Ob eine Gleichung lösbar ist oder nicht, kann von der betrachteten Grundmenge abhängen, zum Beispiel gilt:
- Die Gleichung ist unlösbar als Gleichung über den natürlichen oder den rationalen Zahlen und besitzt die Lösungsmenge als Gleichung über den reellen Zahlen.
- Die Gleichung ist unlösbar als Gleichung über den reellen Zahlen und besitzt die Lösungsmenge als Gleichung über den komplexen Zahlen.
Bei Bestimmungsgleichungen treten mitunter Variablen auf, die nicht gesucht sind, sondern als bekannt vorausgesetzt werden. Solche Variablen werden als Parameter bezeichnet. Beispielsweise lautet die Lösungsformel für die quadratische Gleichung
bei gesuchter Unbekannte und gegebenen Parametern und
- .
Setzt man eine der beiden Lösungen in die Gleichung ein, so verwandelt sich die Gleichung in eine Identität, wird also für eine beliebige Wahl von und zur wahren Aussage. Für sind hier die Lösungen reell, ansonsten komplex.
Definitionsgleichungen
Gleichungen können auch verwendet werden, um ein neues Symbol zu definieren. In diesem Fall wird das zu definierende Symbol links geschrieben, und das Gleichheitszeichen oft durch das Definitionszeichen („“) ersetzt oder über das Gleichheitszeichen „def“ geschrieben.
Zum Beispiel wird die Ableitung einer Funktion an einer Stelle durch
definiert. Im Gegensatz zu Identitäten sind Definitionen keine Aussagen; sie sind also weder wahr noch falsch, sondern nur mehr oder weniger zweckmäßig.
Einteilung nach rechter Seite
Homogene Gleichungen
Eine Bestimmungsgleichung der Form
heißt homogene Gleichung. Ist eine Funktion, nennt man die Lösung auch Nullstelle der Funktion. Homogene Gleichungen spielen bei der Lösungsstruktur linearer Gleichungssysteme und linearer Differentialgleichungen eine wichtige Rolle. Ist die rechte Seite einer Gleichung ungleich Null, heißt die Gleichung inhomogen.
Fixpunktgleichungen
Eine Bestimmungsgleichung der Form
heißt Fixpunktgleichung und deren Lösung nennt man Fixpunkt der Gleichung. Genaueres über die Lösungen solcher Gleichungen sagen Fixpunktsätze aus.
Eigenwertprobleme
Eine Bestimmungsgleichung der Form
heißt Eigenwertproblem, wobei die Konstante (der Eigenwert) und die Unbekannte (der Eigenvektor) gemeinsam gesucht werden. Eigenwertprobleme besitzen vielfältige Einsatzbereiche in der linearen Algebra, beispielsweise bei der Analyse und Zerlegung von Matrizen, und in Anwendungsgebieten, beispielsweise der Strukturmechanik und der Quantenmechanik.
Einteilung nach Linearität
Lineare Gleichungen
Eine Gleichung heißt linear, wenn sie in die Form
gebracht werden kann, wobei der Term unabhängig von ist und der Term linear in ist, also
für Koeffizienten gilt. Sinnvollerweise müssen die passenden Operationen definiert sein, es ist also notwendig, dass und aus einem Vektorraum sind, und die Lösung aus dem gleichen oder einem anderen Vektorraum gesucht wird.
Lineare Gleichungen sind normalerweise wesentlich einfacher zu lösen als nichtlineare. So gilt für lineare Gleichungen das Superpositionsprinzip: Die allgemeine Lösung einer inhomogenen Gleichung ist die Summe einer Partikulärlösung der inhomogenen Gleichung und der allgemeinen Lösung der zugehörigen homogenen Gleichung.
Wegen der Linearität ist zumindest eine Lösung einer homogenen Gleichung. Hat eine homogene Gleichung also eine eindeutige Lösung, so hat auch eine entsprechende inhomogene Gleichung höchstens eine Lösung. Eine verwandte, aber wesentlich tiefer gehende Aussage in der Funktionalanalysis ist die Fredholmsche Alternative.
Nichtlineare Gleichungen
Nichtlineare Gleichungen werden oft nach der Art der Nichtlinearität unterschieden. Insbesondere in der Schulmathematik werden die nachfolgenden Grundtypen von nichtlinearen Gleichungen behandelt.
Algebraische Gleichungen
Handelt es sich bei dem Gleichungsterm um ein Polynom, spricht man von einer algebraischen Gleichung. Ist dabei das Polynom mindestens vom Grad zwei, so bezeichnet man die Gleichung als nichtlinear. Beispiele sind allgemeine quadratische Gleichungen der Form
oder kubische Gleichungen der Form
- .
Für Polynomgleichungen bis zum Grad vier gibt es allgemeine Lösungsformeln.
Bruchgleichungen
Enthält eine Gleichung einen Bruchterm, bei dem die Unbekannte zumindest im Nenner vorkommt, spricht man von einer Bruchgleichung, zum Beispiel
- .
Durch Multiplikation mit dem Hauptnenner, im Beispiel , lassen sich Bruchgleichungen auf algebraische Gleichungen zurückführen. Eine solche Multiplikation ist im Regelfall keine Äquivalenzumformung und es muss eine Fallunterscheidung vorgenommen werden, im Beispiel ist nicht im Definitionsbereich der Bruchgleichung enthalten.
Wurzelgleichungen
Bei Wurzelgleichungen steht die Unbekannte mindestens einmal unter einer Wurzel, beispielsweise
Wurzelgleichungen sind spezielle mit Exponent . Wurzelgleichungen lassen sich lösen, indem eine Wurzel isoliert wird und dann die Gleichung mit dem Wurzelexponenten (im Beispiel ist ) potenziert wird. Dieses Vorgehen wird wiederholt, bis alle Wurzeln eliminiert sind. Potenzieren mit geradzahligem Exponenten stellt keine Äquivalenzumformung dar und daher ist in diesen Fällen bei der Ermittlung der Lösung eine entsprechende Fallunterscheidung vorzunehmen. Im Beispiel führt Quadrieren zu der quadratischen Gleichung , deren negative Lösung nicht im Definitionsbereich der Ausgangsgleichung liegt.
Exponentialgleichungen
Bei Exponentialgleichungen steht die Unbekannte mindestens einmal im Exponenten, zum Beispiel:
Exponentialgleichungen lassen sich durch Logarithmieren lösen. Umgekehrt sind - also Gleichungen, bei denen die Unbekannte als Numerus (Argument einer Logarithmusfunktion) auftritt - durch Exponenzieren lösbar.
Trigonometrische Gleichungen
Treten die Unbekannten als Argument mindestens einer Winkelfunktion auf, so spricht man von einer trigonometrischen Gleichung, beispielsweise
Die Lösungen trigonometrischer Gleichungen wiederholen sich im Allgemeinen periodisch, sofern die Lösungsmenge nicht auf ein bestimmtes Intervall, etwa , beschränkt wird. Alternativ können die Lösungen durch eine ganzzahlige Variable parametrisiert werden. Beispielsweise sind die Lösungen obiger Gleichung gegeben als
- mit .
Einteilung nach gesuchten Unbekannten
Algebraische Gleichungen
Um Gleichungen, bei denen eine reelle Zahl oder ein reeller Vektor gesucht wird, von Gleichungen, bei denen beispielsweise eine Funktion gesucht ist, zu unterscheiden, wird manchmal auch die Bezeichnung algebraische Gleichung verwendet, wobei diese Bezeichnung dann aber nicht auf Polynome eingeschränkt ist. Diese Sprechweise ist jedoch umstritten.
Diophantische Gleichungen
Sucht man ganzzahlige Lösungen einer skalaren Gleichung mit ganzzahligen Koeffizienten, so spricht man von einer Diophantischen Gleichung. Ein Beispiel einer kubischen Diophantischen Gleichung ist
- ,
von der ganzzahlige gesucht werden, die die Gleichung erfüllen, hier die Zahlen .
Differenzengleichungen
Ist die Unbekannte eine Folge, so spricht man von einer Differenzengleichung. Ein bekanntes Beispiel einer linearen Differenzengleichung zweiter Ordnung ist
- ,
deren Lösung für Startwerte und die Fibonacci-Folge ist.
Funktionalgleichungen
Ist die Unbekannte der Gleichung eine Funktion, die ohne Ableitungen auftritt, so spricht man von einer Funktionalgleichung. Ein Beispiel für eine Funktionalgleichung ist
- ,
deren Lösungen gerade die Exponentialfunktionen sind.
Differentialgleichungen
Wird in der Gleichung eine Funktion gesucht, die mit Ableitungen auftritt, so spricht man von einer Differentialgleichung. Differentialgleichungen treten bei der Modellierung von naturwissenschaftlichen Problemen sehr häufig auf. Die höchste auftretende Ableitung wird dabei Ordnung der Differentialgleichung genannt. Man unterscheidet:
- gewöhnliche Differentialgleichungen, bei denen nur Ableitungen nach einer einzigen Variablen auftreten, zum Beispiel die lineare gewöhnliche Differentialgleichung erster Ordnung
- partielle Differentialgleichungen, bei denen partielle Ableitungen nach mehreren Variablen auftreten, zum Beispiel die lineare Transportgleichung erster Ordnung
- differential-algebraische Gleichungen, bei denen sowohl algebraische Gleichungen als auch Differentialgleichungen gemeinsam auftreten, beispielsweise die Euler-Lagrange-Gleichungen für ein mathematisches Pendel
- stochastische Differentialgleichungen, bei denen neben deterministischen auch stochastische Ableitungsterme vorkommen, beispielsweise die Black-Scholes-Gleichung der Finanzmathematik zur Modellierung von Wertpapierkursen
Integralgleichungen
Tritt die gesuchte Funktion in einem Integral auf, so spricht man von einer Integralgleichung. Ein Beispiel einer linearen Integralgleichung 1. Art ist
- .
Gleichungsketten
Befinden sich in einer Zeile mehrere Gleichheitszeichen, so spricht man von einer Gleichungskette. In einer Gleichungskette sollen alle durch Gleichheitszeichen getrennten Ausdrücke vom Wert her gleich sein. Dabei ist jeder dieser Ausdrücke separat zu betrachten. Beispielsweise ist die Gleichungskette
falsch, weil sie in Einzelgleichungen zerlegt zu falschen Aussagen führt. Wahr ist dagegen zum Beispiel
- .
Gleichungsketten sind insbesondere wegen der Transitivität der Gleichheitsrelation sinnvoll interpretierbar. Gleichungsketten treten oft auch gemeinsam mit Ungleichungen in Abschätzungen auf, so gilt beispielsweise für
- .
Gleichungssysteme
Oft werden mehrere Gleichungen, die gleichzeitig erfüllt sein müssen, betrachtet und dabei mehrere Unbekannte gleichzeitig gesucht.
Lineare Gleichungssysteme
Ein Gleichungssystem – also eine Menge von Gleichungen – heißt lineares Gleichungssystem, wenn alle Gleichungen linear sind. Beispielsweise ist
ein lineares Gleichungssystem, bestehend aus zwei Gleichungen und drei Unbekannten und . Fasst man die Koeffizienten zu einer Matrix („Koeffizientenmatrix“), die Unbekannten zu einem Vektor und die Zahlen der rechten Seiten zu einem Vektor („rechte Seite“) zusammen, so lässt sich ein Gleichungssystem auch als eine einzelne Vektorgleichung
auffassen, wobei das Matrix-Vektor-Produkt ist. In obigem Beispiel sind
- , und .
Die lineare Algebra stellt effiziente Verfahren zur Lösung von linearen Gleichungssystemen bereit.
Nichtlineare Gleichungssysteme
Gleichungssysteme, deren Gleichungen nicht alle linear sind, werden nichtlineare Gleichungssysteme genannt. Beispielsweise ist
ein nichtlineares Gleichungssystem mit den Unbekannten und . Für solche Gleichungssysteme gibt es keine allgemeingültigen Lösungsstrategien. Oftmals hat man nur die Möglichkeit, näherungsweise Lösungen mit Hilfe numerischer Verfahren zu bestimmen. Ein mächtiges Näherungsverfahren ist beispielsweise das Newton-Verfahren.
Eine Faustregel besagt, dass gleich viele Gleichungen wie Unbekannte benötigt werden, damit ein Gleichungssystem eindeutig lösbar ist. Das ist aber tatsächlich nur eine Faustregel, bis zu einem gewissen Grad gilt sie wegen des Hauptsatzes über implizite Funktionen für reelle Gleichungen mit reellen Unbekannten.
Lösen von Gleichungen
Analytische Lösung
Unter einer analytischen Lösung versteht man eine allgemeine Umformung einer Gleichung, sodass die gesuchte Variable alleine auf einer Gleichungsseite steht und die Lösung exakt ermittelt werden kann. Wichtigstes Hilfsmittel dabei sind Äquivalenzumformungen, durch die eine Gleichung schrittweise in andere äquivalente Gleichungen (die also dieselbe Lösungsmenge haben) umgeformt wird. Eine analytische Lösung ist nur bei speziellen Gleichungen möglich.
Numerische Lösung
Viele Gleichungen, insbesondere aus naturwissenschaftlichen Anwendungen, können nicht analytisch gelöst werden. In diesem Fall versucht man, am Computer eine näherungsweise numerische Lösung zu berechnen. Solche Verfahren werden in der numerischen Mathematik behandelt. Viele nichtlineare Gleichungen lassen sich approximativ lösen, indem die in der Gleichung auftretenden Nichtlinearitäten linear angenähert werden, und dann die entstehenden linearen Probleme gelöst werden (beispielsweise im Newton-Verfahren). Für andere Problemklassen, etwa bei der Lösung von Gleichungen in unendlich-dimensionalen Räumen, wird die Lösung in geeignet gewählten endlich-dimensionalen Unterräumen gesucht (beispielsweise in der Galerkin-Methode).
Qualitative Analyse
Auch wenn eine Gleichung nicht analytisch gelöst werden kann, ist es dennoch oft möglich, mathematische Aussagen über die Lösung zu treffen. Insbesondere interessieren Fragestellungen, ob eine Lösung überhaupt existiert, ob sie eindeutig ist, und ob sie stetig von den Parametern der Gleichung abhängt. Ist dies der Fall spricht man von einem korrekt gestellten Problem. Eine qualitative Analyse ist auch bzw. gerade bei der numerischen Lösung einer Gleichung wichtig, damit sichergestellt ist, dass die numerische Lösung tatsächlich eine Näherungslösung der Gleichung liefert.
Siehe auch
- Reaktionsgleichung
- Gleichungsarten ökonomischer Modelle
- Zugeschnittene Größengleichung
Weblinks
- The World of mathematical equations. In: eqworld.ipmnet.ru. (englisch).
- Equation. In: Michiel Hazewinkel (Hrsg.): Encyclopedia of Mathematics. Springer-Verlag und EMS Press, Berlin 2002, ISBN 1-55608-010-7 (englisch, encyclopediaofmath.org).
- J. Pahikkala: Equation. In: PlanetMath. (englisch)
- Eric W. Weisstein: Equation. In: MathWorld (englisch).
- Melissa Hogenboom: The 12 most beautiful equations. In: bbc.com. Archiviert vom 23. Juli 2021 (englisch). (nicht mehr online verfügbar) am
Einzelnachweise
- Robert Recorde: The Whetstone of Witte. London 1557, S. 238.
- Wolfgang Brauch: Mathematik für Ingenieure / Wolfgang Brauch; Hans-Joachim Dreyer; Wolfhart Haacke. Unter Mitarb. von Wolfgang Gentzsch. Teubner, Wiesbaden 2006, ISBN 3-8351-0073-4, S. 40.
- Hauptseite Gleichungen. Landesbildungsserver Baden-Württemberg, archiviert vom 22. Mai 2015; abgerufen am 8. März 2011. (nicht mehr online verfügbar) am
- Michaela Gruber: Ingenieurmathematik I. Hochschule Landshut, 10. Januar 2017, archiviert vom 13. Juni 2024; abgerufen am 1. Februar 2023. (nicht mehr online verfügbar) am
- Gleichungen. In: Mathematik.net. Abgerufen am 1. Februar 2023.
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Unter einer Gleichung versteht man in der Mathematik eine Aussage uber die Gleichheit zweier Terme die mit Hilfe des Gleichheitszeichens symbolisiert wird Formal hat eine Gleichung die GestaltAlteste gedruckte Gleichung 1557 in heutiger Schreibweise 14x 15 71 T1 T2 displaystyle T 1 T 2 wobei der Term T1 displaystyle T 1 die linke Seite und der Term T2 displaystyle T 2 die rechte Seite der Gleichung genannt wird Gleichungen sind entweder wahr beziehungsweise erfullt beispielsweise 1 1 displaystyle 1 1 oder falsch beispielsweise 1 2 displaystyle 1 2 Wenn zumindest einer der Terme T1 T2 displaystyle T 1 T 2 von Variablen abhangig ist liegt nur eine Aussageform vor ob die Gleichung wahr oder falsch ist hangt dann von den konkreten eingesetzten Werten ab Die Werte der Variablen fur die die Gleichung erfullt ist heissen Losungen der Gleichung Liegen zwei oder mehr Gleichungen vor spricht man auch von einem Gleichungssystem Eine Losung eines Gleichungssystems muss alle Gleichungen gleichzeitig erfullen Typen von GleichungenGleichungen werden in vielen Zusammenhangen verwendet dementsprechend gibt es verschiedene Moglichkeiten die Gleichungen nach unterschiedlichen Gesichtspunkten einzuteilen Die jeweiligen Einteilungen sind zu einem grossen Teil unabhangig voneinander eine Gleichung kann in mehrere dieser Gruppen fallen So ist es etwa sinnvoll von einem System linearer partieller Differentialgleichungen zu sprechen Einteilung nach Gultigkeit Identitatsgleichungen Hauptartikel Identitatsgleichung Gleichungen konnen allgemeingultig sein also durch Einsetzen aller Variablenwerte aus einer gegebenen Grundmenge oder zumindest aus einer vorher definierten Teilmenge davon wahr sein Solche Gleichungen werden als Identitatsgleichungen oder Identitaten bezeichnet Die Allgemeingultigkeit kann entweder aus anderen Axiomen gefolgert werden oder selber als Axiom vorausgesetzt werden Beispiele sind Der Satz des Pythagoras a2 b2 c2 displaystyle a 2 b 2 c 2 ist wahr fur rechtwinklige Dreiecke falls c displaystyle c die dem rechten Winkel gegenuberliegende Seite Hypotenuse und a b displaystyle a b die Katheten bezeichnen Das Assoziativgesetz a b c a b c displaystyle a b c a b c ist wahr fur alle naturlichen Zahlen a b c displaystyle a b c und allgemein fur beliebige Elemente a b c displaystyle a b c einer Gruppe als Axiom Die erste binomische Formel a b 2 a2 2ab b2 displaystyle a b 2 a 2 2ab b 2 ist wahr fur alle reellen Zahlen a b displaystyle a b Die eulersche Identitat eif cos f isin f displaystyle e i varphi cos left varphi right i sin left varphi right ist wahr fur alle reellen f displaystyle varphi In diesem Zusammenhang spricht man auch von einem mathematischen Satz oder Gesetz Zur Unterscheidung von nicht allgemeingultigen Gleichungen wird bei Identitaten statt des Gleichheitszeichens auch das Kongruenzzeichen verwendet Bestimmungsgleichungen Haufig besteht eine Aufgabenstellung darin alle Variablenbelegungen zu bestimmen fur die die Gleichung wahr wird Diesen Vorgang bezeichnet man als Losen der Gleichung Zur Unterscheidung von Identitatsgleichungen werden solche Gleichungen als Bestimmungsgleichungen bezeichnet Die Menge der Variablenbelegungen fur die die Gleichung wahr ist bezeichnet man als Losungsmenge der Gleichung Wenn es sich bei der Losungsmenge um die leere Menge handelt so bezeichnet man die Gleichung als unlosbar oder unerfullbar Ob eine Gleichung losbar ist oder nicht kann von der betrachteten Grundmenge abhangen zum Beispiel gilt Die Gleichung x2 2 displaystyle x 2 2 ist unlosbar als Gleichung uber den naturlichen oder den rationalen Zahlen und besitzt die Losungsmenge 2 2 displaystyle lbrace sqrt 2 sqrt 2 rbrace als Gleichung uber den reellen Zahlen Die Gleichung x2 2 displaystyle x 2 2 ist unlosbar als Gleichung uber den reellen Zahlen und besitzt die Losungsmenge 2i 2i displaystyle lbrace sqrt 2 i sqrt 2 i rbrace als Gleichung uber den komplexen Zahlen Bei Bestimmungsgleichungen treten mitunter Variablen auf die nicht gesucht sind sondern als bekannt vorausgesetzt werden Solche Variablen werden als Parameter bezeichnet Beispielsweise lautet die Losungsformel fur die quadratische Gleichung x2 px q 0 displaystyle x 2 px q 0 bei gesuchter Unbekannte x displaystyle x und gegebenen Parametern p displaystyle p und q displaystyle q x1 2 p2 p24 q displaystyle x 1 2 frac p 2 pm sqrt frac p 2 4 q Setzt man eine der beiden Losungen x1 x2 displaystyle x 1 x 2 in die Gleichung ein so verwandelt sich die Gleichung in eine Identitat wird also fur eine beliebige Wahl von p displaystyle p und q displaystyle q zur wahren Aussage Fur 4q p2 displaystyle 4q leq p 2 sind hier die Losungen reell ansonsten komplex Definitionsgleichungen Gleichungen konnen auch verwendet werden um ein neues Symbol zu definieren In diesem Fall wird das zu definierende Symbol links geschrieben und das Gleichheitszeichen oft durch das Definitionszeichen displaystyle ersetzt oder uber das Gleichheitszeichen def geschrieben Zum Beispiel wird die Ableitung einer Funktion f displaystyle f an einer Stelle x0 displaystyle x 0 durch f x0 limx x0f x f x0 x x0 displaystyle f x 0 lim x to x 0 frac f x f x 0 x x 0 definiert Im Gegensatz zu Identitaten sind Definitionen keine Aussagen sie sind also weder wahr noch falsch sondern nur mehr oder weniger zweckmassig Einteilung nach rechter Seite Homogene Gleichungen Eine Bestimmungsgleichung der Form T x 0 displaystyle T x 0 heisst homogene Gleichung Ist T displaystyle T eine Funktion nennt man die Losung x displaystyle x auch Nullstelle der Funktion Homogene Gleichungen spielen bei der Losungsstruktur linearer Gleichungssysteme und linearer Differentialgleichungen eine wichtige Rolle Ist die rechte Seite einer Gleichung ungleich Null heisst die Gleichung inhomogen Fixpunktgleichungen Hauptartikel Fixpunkt Mathematik Eine Bestimmungsgleichung der Form T x x displaystyle T x x heisst Fixpunktgleichung und deren Losung x displaystyle x nennt man Fixpunkt der Gleichung Genaueres uber die Losungen solcher Gleichungen sagen Fixpunktsatze aus Eigenwertprobleme Hauptartikel Eigenwertproblem Eine Bestimmungsgleichung der Form T x lx displaystyle T x lambda x heisst Eigenwertproblem wobei die Konstante l displaystyle lambda der Eigenwert und die Unbekannte x 0 displaystyle x neq 0 der Eigenvektor gemeinsam gesucht werden Eigenwertprobleme besitzen vielfaltige Einsatzbereiche in der linearen Algebra beispielsweise bei der Analyse und Zerlegung von Matrizen und in Anwendungsgebieten beispielsweise der Strukturmechanik und der Quantenmechanik Einteilung nach Linearitat Lineare Gleichungen Hauptartikel Lineare Gleichung und Lineares Gleichungssystem Eine Gleichung heisst linear wenn sie in die Form T x a displaystyle T left x right a gebracht werden kann wobei der Term a displaystyle a unabhangig von x displaystyle x ist und der Term T x displaystyle T x linear in x displaystyle x ist also T lx my lT x mT y displaystyle T left lambda x mu y right lambda T left x right mu T left y right fur Koeffizienten l m displaystyle lambda mu gilt Sinnvollerweise mussen die passenden Operationen definiert sein es ist also notwendig dass T x displaystyle T x und a displaystyle a aus einem Vektorraum V displaystyle V sind und die Losung x displaystyle x aus dem gleichen oder einem anderen Vektorraum W displaystyle W gesucht wird Lineare Gleichungen sind normalerweise wesentlich einfacher zu losen als nichtlineare So gilt fur lineare Gleichungen das Superpositionsprinzip Die allgemeine Losung einer inhomogenen Gleichung ist die Summe einer Partikularlosung der inhomogenen Gleichung und der allgemeinen Losung der zugehorigen homogenen Gleichung Wegen der Linearitat ist zumindest x 0 displaystyle x 0 eine Losung einer homogenen Gleichung Hat eine homogene Gleichung also eine eindeutige Losung so hat auch eine entsprechende inhomogene Gleichung hochstens eine Losung Eine verwandte aber wesentlich tiefer gehende Aussage in der Funktionalanalysis ist die Fredholmsche Alternative Nichtlineare Gleichungen Nichtlineare Gleichungen werden oft nach der Art der Nichtlinearitat unterschieden Insbesondere in der Schulmathematik werden die nachfolgenden Grundtypen von nichtlinearen Gleichungen behandelt Algebraische Gleichungen Hauptartikel Algebraische Gleichung Handelt es sich bei dem Gleichungsterm um ein Polynom spricht man von einer algebraischen Gleichung Ist dabei das Polynom mindestens vom Grad zwei so bezeichnet man die Gleichung als nichtlinear Beispiele sind allgemeine quadratische Gleichungen der Form ax2 bx c 0 displaystyle ax 2 bx c 0 oder kubische Gleichungen der Form ax3 bx2 cx d 0 displaystyle ax 3 bx 2 cx d 0 Fur Polynomgleichungen bis zum Grad vier gibt es allgemeine Losungsformeln Bruchgleichungen Hauptartikel Bruchgleichung Enthalt eine Gleichung einen Bruchterm bei dem die Unbekannte zumindest im Nenner vorkommt spricht man von einer Bruchgleichung zum Beispiel x 2x2 3 2x 1 displaystyle frac x 2 x 2 3 frac 2 x 1 Durch Multiplikation mit dem Hauptnenner im Beispiel x2 3 x 1 displaystyle x 2 3 x 1 lassen sich Bruchgleichungen auf algebraische Gleichungen zuruckfuhren Eine solche Multiplikation ist im Regelfall keine Aquivalenzumformung und es muss eine Fallunterscheidung vorgenommen werden im Beispiel ist x 1 displaystyle x 1 nicht im Definitionsbereich der Bruchgleichung enthalten Wurzelgleichungen Hauptartikel Wurzelgleichung Bei Wurzelgleichungen steht die Unbekannte mindestens einmal unter einer Wurzel beispielsweise x 1 x displaystyle sqrt x 1 x Wurzelgleichungen sind spezielle mit Exponent 1n displaystyle tfrac 1 n Wurzelgleichungen lassen sich losen indem eine Wurzel isoliert wird und dann die Gleichung mit dem Wurzelexponenten n displaystyle n im Beispiel ist n 2 displaystyle n 2 potenziert wird Dieses Vorgehen wird wiederholt bis alle Wurzeln eliminiert sind Potenzieren mit geradzahligem Exponenten stellt keine Aquivalenzumformung dar und daher ist in diesen Fallen bei der Ermittlung der Losung eine entsprechende Fallunterscheidung vorzunehmen Im Beispiel fuhrt Quadrieren zu der quadratischen Gleichung x 1 x 2 displaystyle x 1 x 2 deren negative Losung nicht im Definitionsbereich der Ausgangsgleichung liegt Exponentialgleichungen Bei Exponentialgleichungen steht die Unbekannte mindestens einmal im Exponenten zum Beispiel 23x 2 4x 1 displaystyle 2 3x 2 4 x 1 Exponentialgleichungen lassen sich durch Logarithmieren losen Umgekehrt sind also Gleichungen bei denen die Unbekannte als Numerus Argument einer Logarithmusfunktion auftritt durch Exponenzieren losbar Trigonometrische Gleichungen Hauptartikel Trigonometrische Gleichung Treten die Unbekannten als Argument mindestens einer Winkelfunktion auf so spricht man von einer trigonometrischen Gleichung beispielsweise sin x cos x displaystyle sin x cos x Die Losungen trigonometrischer Gleichungen wiederholen sich im Allgemeinen periodisch sofern die Losungsmenge nicht auf ein bestimmtes Intervall etwa 0 2p displaystyle 0 2 pi beschrankt wird Alternativ konnen die Losungen durch eine ganzzahlige Variable k displaystyle k parametrisiert werden Beispielsweise sind die Losungen obiger Gleichung gegeben als x p4 pk displaystyle x frac pi 4 pi k mit k Z displaystyle k in mathbb Z Einteilung nach gesuchten Unbekannten Algebraische Gleichungen Hauptartikel Algebraische Gleichung Um Gleichungen bei denen eine reelle Zahl oder ein reeller Vektor gesucht wird von Gleichungen bei denen beispielsweise eine Funktion gesucht ist zu unterscheiden wird manchmal auch die Bezeichnung algebraische Gleichung verwendet wobei diese Bezeichnung dann aber nicht auf Polynome eingeschrankt ist Diese Sprechweise ist jedoch umstritten Diophantische Gleichungen Hauptartikel Diophantische Gleichung Sucht man ganzzahlige Losungen einer skalaren Gleichung mit ganzzahligen Koeffizienten so spricht man von einer Diophantischen Gleichung Ein Beispiel einer kubischen Diophantischen Gleichung ist 2x3 x2 8x 4 displaystyle 2x 3 x 2 8x 4 von der ganzzahlige x Z displaystyle x in mathbb Z gesucht werden die die Gleichung erfullen hier die Zahlen x 2 displaystyle x pm 2 Differenzengleichungen Hauptartikel Differenzengleichung Ist die Unbekannte eine Folge so spricht man von einer Differenzengleichung Ein bekanntes Beispiel einer linearen Differenzengleichung zweiter Ordnung ist xn xn 1 xn 2 0 displaystyle x n x n 1 x n 2 0 deren Losung fur Startwerte x0 0 displaystyle x 0 0 und x1 1 displaystyle x 1 1 die Fibonacci Folge 1 1 2 3 5 8 13 displaystyle 1 1 2 3 5 8 13 ldots ist Funktionalgleichungen Hauptartikel Funktionalgleichung Ist die Unbekannte der Gleichung eine Funktion die ohne Ableitungen auftritt so spricht man von einer Funktionalgleichung Ein Beispiel fur eine Funktionalgleichung ist f x y f x f y displaystyle f x y f x f y deren Losungen gerade die Exponentialfunktionen f x ax displaystyle f x a x sind Differentialgleichungen Hauptartikel Differentialgleichung Wird in der Gleichung eine Funktion gesucht die mit Ableitungen auftritt so spricht man von einer Differentialgleichung Differentialgleichungen treten bei der Modellierung von naturwissenschaftlichen Problemen sehr haufig auf Die hochste auftretende Ableitung wird dabei Ordnung der Differentialgleichung genannt Man unterscheidet gewohnliche Differentialgleichungen bei denen nur Ableitungen nach einer einzigen Variablen auftreten zum Beispiel die lineare gewohnliche Differentialgleichung erster Ordnungf x xf x 0 displaystyle f x xf x 0 dd partielle Differentialgleichungen bei denen partielle Ableitungen nach mehreren Variablen auftreten zum Beispiel die lineare Transportgleichung erster Ordnung f x t t f x t x 0 displaystyle frac partial f x t partial t frac partial f x t partial x 0 dd differential algebraische Gleichungen bei denen sowohl algebraische Gleichungen als auch Differentialgleichungen gemeinsam auftreten beispielsweise die Euler Lagrange Gleichungen fur ein mathematisches Pendelx 1 2x1lx 2 2x2l 10 x12 x22 1 displaystyle begin aligned ddot x 1 amp 2x 1 lambda ddot x 2 amp 2x 2 lambda 1 0 amp x 1 2 x 2 2 1 end aligned dd stochastische Differentialgleichungen bei denen neben deterministischen auch stochastische Ableitungsterme vorkommen beispielsweise die Black Scholes Gleichung der Finanzmathematik zur Modellierung von WertpapierkursendSt rStdt sStdWt displaystyle rm d S t rS t rm d t sigma S t rm d W t dd Integralgleichungen Hauptartikel Integralgleichung Tritt die gesuchte Funktion in einem Integral auf so spricht man von einer Integralgleichung Ein Beispiel einer linearen Integralgleichung 1 Art ist 0x x t f t dt x3 displaystyle int 0 x x t f t mathrm d t x 3 GleichungskettenBefinden sich in einer Zeile mehrere Gleichheitszeichen so spricht man von einer Gleichungskette In einer Gleichungskette sollen alle durch Gleichheitszeichen getrennten Ausdrucke vom Wert her gleich sein Dabei ist jeder dieser Ausdrucke separat zu betrachten Beispielsweise ist die Gleichungskette 17 3 20 2 10 7 17 displaystyle 17 3 20 2 10 7 17 falsch weil sie in Einzelgleichungen zerlegt zu falschen Aussagen fuhrt Wahr ist dagegen zum Beispiel 17 3 40 2 10 10 20 displaystyle 17 3 40 2 10 10 20 Gleichungsketten sind insbesondere wegen der Transitivitat der Gleichheitsrelation sinnvoll interpretierbar Gleichungsketten treten oft auch gemeinsam mit Ungleichungen in Abschatzungen auf so gilt beispielsweise fur n 3 displaystyle n geq 3 2n2 n2 n2 n2 3n gt n2 2n 1 n 1 2 displaystyle 2n 2 n 2 n 2 geq n 2 3n gt n 2 2n 1 n 1 2 GleichungssystemeOft werden mehrere Gleichungen die gleichzeitig erfullt sein mussen betrachtet und dabei mehrere Unbekannte gleichzeitig gesucht Lineare Gleichungssysteme Hauptartikel Lineares Gleichungssystem Ein Gleichungssystem also eine Menge von Gleichungen heisst lineares Gleichungssystem wenn alle Gleichungen linear sind Beispielsweise ist x y z 52x z 13 displaystyle begin aligned x y z amp 5 2x z amp 13 end aligned ein lineares Gleichungssystem bestehend aus zwei Gleichungen und drei Unbekannten x y displaystyle x y und z displaystyle z Fasst man die Koeffizienten zu einer Matrix A displaystyle A Koeffizientenmatrix die Unbekannten zu einem Vektor x displaystyle vec x und die Zahlen der rechten Seiten zu einem Vektor b displaystyle vec b rechte Seite zusammen so lasst sich ein Gleichungssystem auch als eine einzelne Vektorgleichung A x b displaystyle A cdot vec x vec b auffassen wobei displaystyle cdot das Matrix Vektor Produkt ist In obigem Beispiel sind A 11120 1 displaystyle A begin pmatrix 1 amp 1 amp 1 2 amp 0 amp 1 end pmatrix x xyz displaystyle vec x begin pmatrix x y z end pmatrix und b 513 displaystyle vec b begin pmatrix 5 13 end pmatrix Die lineare Algebra stellt effiziente Verfahren zur Losung von linearen Gleichungssystemen bereit Nichtlineare Gleichungssysteme Gleichungssysteme deren Gleichungen nicht alle linear sind werden nichtlineare Gleichungssysteme genannt Beispielsweise ist 3x2 2xy 1sin x ln y ex displaystyle left begin array rcl 3x 2 2xy amp amp 1 sin x cdot ln y amp amp e x end array right ein nichtlineares Gleichungssystem mit den Unbekannten x displaystyle x und y displaystyle y Fur solche Gleichungssysteme gibt es keine allgemeingultigen Losungsstrategien Oftmals hat man nur die Moglichkeit naherungsweise Losungen mit Hilfe numerischer Verfahren zu bestimmen Ein machtiges Naherungsverfahren ist beispielsweise das Newton Verfahren Eine Faustregel besagt dass gleich viele Gleichungen wie Unbekannte benotigt werden damit ein Gleichungssystem eindeutig losbar ist Das ist aber tatsachlich nur eine Faustregel bis zu einem gewissen Grad gilt sie wegen des Hauptsatzes uber implizite Funktionen fur reelle Gleichungen mit reellen Unbekannten Losen von Gleichungen Hauptartikel Losen von Gleichungen Analytische Losung Unter einer analytischen Losung versteht man eine allgemeine Umformung einer Gleichung sodass die gesuchte Variable alleine auf einer Gleichungsseite steht und die Losung exakt ermittelt werden kann Wichtigstes Hilfsmittel dabei sind Aquivalenzumformungen durch die eine Gleichung schrittweise in andere aquivalente Gleichungen die also dieselbe Losungsmenge haben umgeformt wird Eine analytische Losung ist nur bei speziellen Gleichungen moglich Numerische Losung Viele Gleichungen insbesondere aus naturwissenschaftlichen Anwendungen konnen nicht analytisch gelost werden In diesem Fall versucht man am Computer eine naherungsweise numerische Losung zu berechnen Solche Verfahren werden in der numerischen Mathematik behandelt Viele nichtlineare Gleichungen lassen sich approximativ losen indem die in der Gleichung auftretenden Nichtlinearitaten linear angenahert werden und dann die entstehenden linearen Probleme gelost werden beispielsweise im Newton Verfahren Fur andere Problemklassen etwa bei der Losung von Gleichungen in unendlich dimensionalen Raumen wird die Losung in geeignet gewahlten endlich dimensionalen Unterraumen gesucht beispielsweise in der Galerkin Methode Qualitative Analyse Auch wenn eine Gleichung nicht analytisch gelost werden kann ist es dennoch oft moglich mathematische Aussagen uber die Losung zu treffen Insbesondere interessieren Fragestellungen ob eine Losung uberhaupt existiert ob sie eindeutig ist und ob sie stetig von den Parametern der Gleichung abhangt Ist dies der Fall spricht man von einem korrekt gestellten Problem Eine qualitative Analyse ist auch bzw gerade bei der numerischen Losung einer Gleichung wichtig damit sichergestellt ist dass die numerische Losung tatsachlich eine Naherungslosung der Gleichung liefert Siehe auchReaktionsgleichung Gleichungsarten okonomischer Modelle Zugeschnittene GrossengleichungWeblinksWiktionary Gleichung Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Commons Equations Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien The World of mathematical equations In eqworld ipmnet ru Abgerufen am 10 Oktober 2005 englisch Equation In Michiel Hazewinkel Hrsg Encyclopedia of Mathematics Springer Verlag und EMS Press Berlin 2002 ISBN 1 55608 010 7 englisch encyclopediaofmath org J Pahikkala Equation In PlanetMath englisch Eric W Weisstein Equation In MathWorld englisch Melissa Hogenboom The 12 most beautiful equations In bbc com Archiviert vom Original nicht mehr online verfugbar am 23 Juli 2021 abgerufen am 28 Februar 2022 englisch EinzelnachweiseRobert Recorde The Whetstone of Witte London 1557 S 238 Wolfgang Brauch Mathematik fur Ingenieure Wolfgang Brauch Hans Joachim Dreyer Wolfhart Haacke Unter Mitarb von Wolfgang Gentzsch Teubner Wiesbaden 2006 ISBN 3 8351 0073 4 S 40 Hauptseite Gleichungen Landesbildungsserver Baden Wurttemberg archiviert vom Original nicht mehr online verfugbar am 22 Mai 2015 abgerufen am 8 Marz 2011 Michaela Gruber Ingenieurmathematik I Hochschule Landshut 10 Januar 2017 archiviert vom Original nicht mehr online verfugbar am 13 Juni 2024 abgerufen am 1 Februar 2023 Gleichungen In Mathematik net Abgerufen am 1 Februar 2023