Quadratische Gleichung

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Eine quadratische Gleichung ist eine Gleichung, die sich in der Form

mit schreiben lässt. Hierbei sind Koeffizienten; ist die Unbekannte. Ist , spricht man von einer reinquadratischen Gleichung.

Die linke Seite dieser Gleichung ist der Term einer quadratischen Funktion (allgemeiner ausgedrückt: ein Polynom zweiten Grades), ; der Funktionsgraph dieser Funktion im Kartesischen Koordinatensystem ist eine Parabel. Geometrisch beschreibt die quadratische Gleichung die Nullstellen dieser Parabel.

Allgemeine Form und Normalform[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die allgemeine Form der quadratischen Gleichung lautet

Dabei heißt quadratisches Glied, lineares Glied und konstantes Glied (oder auch Absolutglied) der Gleichung.

Die Gleichung ist in Normalform, falls , also wenn das quadratische Glied den Koeffizient 1 hat. Aus der allgemeinen Form lässt sich die Normalform durch Äquivalenzumformungen gewinnen, indem durch dividiert wird. Mit der Definition

  und  

lässt sich die Normalform somit schreiben als

Im Folgenden werden zunächst quadratische Gleichungen mit reellen Zahlen als Koeffizienten , und bzw. als und betrachtet.

Lösungen der quadratischen Gleichung mit reellen Koeffizienten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine Lösung der quadratischen Gleichung ist eine Zahl, die die Gleichung erfüllt, wenn sie für eingesetzt wird. Jede quadratische Gleichung hat, wenn man komplexe Zahlen als Lösungen zulässt, genau zwei (gegebenenfalls zusammenfallende) Lösungen, auch Wurzeln der Gleichung genannt. Betrachtet man nur die reellen Zahlen, so hat eine quadratische Gleichung null bis zwei Lösungen.

Anzahl der reellen Nullstellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Anzahl der Lösungen lässt sich mit Hilfe der sog. Diskriminante (von lateinisch „discriminare“ = „unterscheiden“) bestimmen. Im allgemeinen Fall ist , im normierten Fall ist (zur Herleitung siehe unten):

Lage der quadratischen Parabeln und Auswirkungen auf die Zahl der Nullstellen

Die Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen der Anzahl der reellen Nullstellen und der Diskriminante:

  • (A) Diskriminante positiv: Die Parabel hat zwei Schnittpunkte mit der -Achse, es gibt also zwei verschiedene reelle Nullstellen und .
  • (B) Diskriminante Null: Die Parabel hat genau einen Berührpunkt mit der -Achse, nämlich ihren Scheitelpunkt. Es gibt somit genau eine (doppelte) reelle Lösung. Die quadratische Gleichung lässt sich auf die Form bringen.
  • (C) Diskriminante negativ: Die Parabel hat keinen Schnittpunkt mit der -Achse, es gibt keine reellen Lösungen der quadratischen Gleichung. Lässt man komplexe Zahlen als Grundmenge für die Lösungen zu, erhält man zwei verschiedene komplexe Lösungen. Diese sind zueinander konjugiert, das heißt, sie haben den gleichen Realteil und ihre Imaginärteile unterscheiden sich nur durch das Vorzeichen.

Einfache Spezialfälle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ist der Koeffizient des linearen Gliedes oder das absolute Glied , so lässt sich die quadratische Gleichung durch einfache Äquivalenzumformungen lösen, ohne dass eine allgemeine Lösungsformel benötigt würde.

Fehlendes lineares Glied[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die reinquadratische Gleichung mit ist äquivalent zu

Die Lösungen lauten

Im reellen Fall existieren für keine reellen Lösungen. Die komplexen Lösungen sind dann

Zum Beispiel hat die Gleichung die Lösungen . Die Gleichung hat keine reellen Lösungen, die komplexen Lösungen lauten .

Fehlendes konstantes Glied[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Aus der Gleichung ergibt sich durch Ausklammern , d. h., es muss oder gelten. Die beiden Lösungen lauten also

und

Zum Beispiel hat die Gleichung die Lösungen und .

Allgemeine Lösungsformeln[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zum Lösen quadratischer Gleichungen kann man die quadratische Ergänzung nutzen. Oft ist es einfacher, stattdessen eine der mit Hilfe der quadratischen Ergänzung hergeleiteten allgemeinen Formeln zu verwenden:[1]

Lösungsformel für die allgemeine quadratische Gleichung (a-b-c-Formel)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Lösungen der allgemeinen quadratischen Gleichung lauten:

Die Formel wird in Teilen Deutschlands umgangssprachlich als „Mitternachtsformel“ bezeichnet, weil Schüler sie auswendig kennen sollen, selbst wenn man sie um Mitternacht weckt. In Österreich ist der Ausdruck große Lösungsformel gebräuchlich.

Wenn man die Gleichung in der Form

angibt (d. h. mit ), erhält man die etwas einfachere Lösungsformel

Lösung der a-b-c-Formel bei negativer Diskriminante[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ist die oben eingeführte Diskriminante negativ, so ist für die Lösungen die Wurzel einer negativen Zahl zu berechnen. Im Zahlbereich der reellen Zahlen gibt es hierfür keine Lösungen. Im Bereich der komplexen Zahlen gilt . Dieser Term bestimmt den Imaginärteil der beiden zueinander konjugierten Lösungen, einmal mit positivem, einmal mit negativem Vorzeichen. Der Term davor mit wird zum konstanten Realteil der beiden Lösungen:

(komplexer Fall bei negativer Diskriminante).
Herleitung der a-b-c-Formel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Aus der allgemeinen Form ergibt sich durch Umformen nach dem Verfahren der quadratischen Ergänzung:

Lösungsformel für die Normalform (p-q-Formel)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei Vorliegen der Normalform lauten die Lösungen nach der p-q-Formel

In Österreich ist diese Formel als kleine Auflösungsformel bekannt.

Lösung der p-q-Formel bei negativer Diskriminante[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wie bei der a-b-c-Formel gibt es, wenn die Diskriminante negativ ist, im Zahlbereich der reellen Zahlen keine Lösungen. Die komplexen Lösungen ergeben sich zu:

Herleitung der p-q-Formel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Formel ergibt sich aus der Normalform der quadratischen Gleichung durch quadratische Ergänzung:

Eine andere Möglichkeit, die Formel herzuleiten, besteht darin, dass man in der a-b-c-Formel , und setzt und den Nenner 2 in die Wurzel hineinzieht.

Zerlegung in Linearfaktoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit den Lösungen lässt sich das quadratische normierte Polynom in Linearfaktoren zerlegen:

und das nicht normierte in

Satz von Vieta[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Liegt die quadratische Gleichung in Normalform vor und hat die Lösungen und , so gilt

.

Durch Koeffizientenvergleich erhält man den Satz von Vieta

  und   .

Insbesondere wenn und ganze Zahlen sind, lassen sich so durch Ausprobieren, ob Teilerpaare von als Summe ergeben, mit einiger Übung oft die Lösungen rasch finden. Beispielsweise erhält man für die Lösungen und durch die Zerlegung mit .

Numerische Berechnung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wenn die Lösungen numerisch ermittelt werden und sich um Größenordnungen voneinander unterscheiden, kann durch folgende Variation der obigen Formeln das Problem der Auslöschung vermieden werden:

Hierbei hat den Wert für und sonst den Wert . Die zweite Formel beruht auf dem Satz von Vieta.

Beispiel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für die Gleichung

ergeben sich als Lösungen nach der a-b-c-Formel

also und .

Zur Nutzung der p-q-Formel wird die allgemeine Form zuerst in die Normalform überführt, indem die Gleichung durch 4 dividiert wird:

Es ergeben sich nach der p-q-Formel die Lösungen

also somit ebenfalls und .

Mit Hilfe der Zerlegungen und erhält man dieselben Lösungen mit dem Satz von Vieta.

Weitere Beispiele
Für die Diskriminante gilt: . Es ergeben sich die beiden reellen Lösungen und
Die Diskriminante ist . Die (doppelte) reelle Lösung ist .
Es gibt keine reellen Lösungen, denn die Diskriminante ist negativ. Die komplexen Lösungen ergeben sich zu und .

Verallgemeinerungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Komplexe Koeffizienten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die quadratische Gleichung

mit komplexen Koeffizienten , hat stets zwei komplexe Lösungen , die genau dann zusammenfallen, wenn die Diskriminante gleich null ist.

Die Lösungen lassen sich wie im reellen Fall durch quadratische Ergänzung oder mit den oben angegebenen Lösungsformeln berechnen. Dabei muss allerdings im Allgemeinen eine Quadratwurzel einer komplexen Zahl berechnet werden.

Beispiel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für die quadratische Gleichung

hat die Diskriminante den Wert . Es ergeben sich die beiden Lösungen und .

Quadratische Gleichungen in allgemeinen Ringen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Allgemein nennt man in der abstrakten Algebra eine Gleichung der Form

mit Elementen p, q eines Körpers oder Rings eine quadratische Gleichung. In Körpern und allgemeiner in Integritätsbereichen hat sie höchstens zwei Lösungen, in beliebigen Ringen kann sie mehr als zwei Lösungen haben.

Falls Lösungen existieren, dann erhält man sie in kommutativen Ringen ebenfalls mit der p-q-Formel, falls die Charakteristik des Ringes ungleich 2 ist. Hierbei sind allerdings alle möglichen Quadratwurzeln der Diskriminante zu berücksichtigen. Für einen endlichen Körper der Charakteristik 2 macht man den Ansatz und gelangt mittels zu einem linearen Gleichungssystem für die n Koeffizienten ai aus .

Beispiel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die quadratische Gleichung

hat im Restklassenring die vier Lösungen 1, 3, 5 und 7.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bereits vor 4000 Jahren im Altbabylonischen Reich wurden quadratische Gleichungen gelöst, beispielsweise auf folgende Art: Die quadratische Gleichung ist äquivalent dem Gleichungssystem und . Für x wird nun der Ansatz bzw. gemacht. Für das Produkt ergibt sich

.

Auflösen der binomischen Formel liefert

.

Mit ist damit auch die Lösung der quadratischen Gleichung bestimmt. Als Beispiel wird die Gleichung besprochen. Diese ist äquivalent dem Gleichungssystem und . Der oben genannte Ansatz liefert

Für die Lösung der quadratischen Gleichung ergibt sich

.

Die Griechen kannten keine negative Zahlen und mussten für die quadratische Gleichung mehrere Fallunterscheidungen durchführen. Gleichungen der Art

werden bei Euklid (II 11) geometrisch gelöst; die Formen

bzw.

in Euklid (VI 28) bzw. (VI 29).

geometrische Lösung der Gleichung nach Euklid

Als Beispiel soll die Gleichung, wie sie bei al-Chwarizmi auftritt,

als Spezialfall von mit geometrisch gelöst werden (siehe Bild). Man fasst dazu die linke Seite der Gleichung auf als ein Quadrat EFIH der Seitenlänge (und somit der Fläche ) und zwei Rechtecke DEHG und BCFE mit den Seiten und (und somit jeweils der Fläche ). Das Quadrat und die beiden Rechtecke werden wie im Bild gezeigt zu einem Gnomon mit den Eckpunkten BCIGDE zusammengesetzt. Dieses Gnomon hat nach Voraussetzung eine Fläche von . Ergänzt man es mit dem Quadrat ABED der Seitenlänge (und somit der Fläche ) zu dem Quadrat ACIG, so besitzt dieses die Fläche . Andererseits hat aber dieses Quadrat ACIG nach Konstruktion die Seitenlänge und somit den Flächeninhalt . Wegen schließt man und somit . Die quadratische Gleichung wird also »quadratisch ergänzt« zu mit der (positiven) Lösung . Man beachte, dass man mit dieser geometrischen Methode nicht die negative Lösung erhält.

geometrische Lösung der Gleichung nach Brahmagupta

Bei Aryabhata und Brahmagupta wird die Lösung der Gleichung

mit Worten beschrieben. Wie man aus dem Bild (links) ersieht, gilt die folgende Zerlegung des Quadrats:

.

Dies liefert sofort die Lösung in heutiger Schreibweise als

.

Bei Heron von Alexandria und auch bei al-Chwarizmi wird die Lösung von

verbal beschrieben; in heutiger Schreibweise als

.

Allerdings schiebt Heron den euklidischen Weg als geometrische Begründung nach.

Allgemeine Lösungsformeln, wie die heute übliche

für die allgemeine Lösung der quadratischen Gleichung in allgemeiner Form

entstanden erst zu Beginn des 16. Jahrhunderts, als negative Zahlen als Lösung akzeptiert waren und das Wurzelzeichen erfunden war (durch Christoph Rudolff 1525 in seiner Algebra). Einen neuen Ansatz zur Lösung einer quadratischen Gleichung bot der Wurzelsatz von Vieta, der posthum 1615 in seinem Werk De Aequationem Recognitione et Emendatione Tractatus duo publiziert wurde.

Im Jahr 1637 beschrieb René Descartes in seiner Schrift La Géométrie eine Methode zur Lösung quadratischer Gleichungen mit Zirkel und Lineal. Er zeigte weiter, dass Gleichungen höheren Grades im Allgemeinen nicht ausschließlich mit Zirkel und Lineal gelöst werden können.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Schweizer, Wilhelm: Lambacher Schweizer, Algebra 2, 2. Auflage, Stuttgart 1968

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Bartel Leendert van der Waerden: Erwachende Wissenschaft Bd.1 („Ägyptische, babylonische und griechische Mathematik“), 2. Aufl., Birkhäuser 1966.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Quadratische Gleichung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien