Schritt für Schritt erklärt

Die pq-Formel

Lisa von OnMathe

Einleitung

Du erlernst das Lösen quadratischer Gleichungen mithilfe der pq-Formel anhand einfacher Beispiele. Außerdem bekommst du Übungsaufgaben um das Gelernte zu vertiefen.

Merke
\[x_{1,2}=-\frac{\textcolor{orangered}{p}}{2} \pm \sqrt{\left(\frac{\textcolor{orangered}{p}}{2}\right)^2-\textcolor{orange}{q}}\]

Einleitung

Du erlernst das Lösen quadratischer Gleichungen mithilfe der pq-Formel anhand einfacher Beispiele. Außerdem bekommst du Übungsaufgaben um das Gelernte zu vertiefen.

Merke
\[x_{1,2}=-\frac{\textcolor{orangered}{p}}{2} \pm \sqrt{\left(\frac{\textcolor{orangered}{p}}{2}\right)^2-\textcolor{orange}{q}}\]

1. Beispiel

Beispiel
\[0=x^2+\textcolor{orangered}{9}x+\textcolor{orange}{8}\]
Das ist eine quadratische Gleichung in der Normalform. Die Normalform einer quadratischen Gleichung ist immer gleich aufgebaut:
\[ f(x)=x^2 + \textcolor{orangered}{p}x + \textcolor{orange}{q} \]
Und weil das so ist, können wir aus der Beispielgleichung ganz bequem \(\textcolor{orangered}{p}\) und \(\textcolor{orange}{q}\) herauslesen.
\[ \begin{array}{ccc} & x^2 & + \textcolor{orangered}{p}x & + \textcolor{orange}{q} \\ & \downarrow & \downarrow & \downarrow \\ & x^2 & +\textcolor{orangered}{9}x & + \textcolor{orange}{8} & =0 \\ & & \downarrow & \downarrow \\ & & \textcolor{orangered}{p=9} & \textcolor{orange}{q=8} \end{array} \]
Jetzt machen wir mit der pq-Formel weiter:
\[x_{1,2}=-\frac{\textcolor{orangered}{p}}{2} \pm \sqrt{\left(\frac{\textcolor{orangered}{p}}{2}\right)^2-\textcolor{orange}{q}}\]
Siehst du das \(\textcolor{orangered}{p}\) und das \(\textcolor{orange}{q}\) in der Formel? An diese Stellen setzen wir unsere Werte aus der quadratischen Gleichung ein.
\[ \begin{array}{ccc} & x_{1,2}= & -\frac{\textcolor{orangered}{p}}{2} & \pm \begin{array}{cc} \sqrt{ \begin{array}{cc} \left(\frac{\textcolor{orangered}{p}}{2}\right)^2 & - \textcolor{orange}{q}\end{array}} \end{array} \\ & & \downarrow & \begin{array}{cc} & & \downarrow & & \downarrow \end{array} \\ & & \textcolor{orangered}{p=9} & \begin{array}{cc} & & \textcolor{orangered}{p=9} & \textcolor{orange}{q=8} \end{array} \\ & & \downarrow & \begin{array}{cc} & & \downarrow & & \downarrow \end{array} \\ & x_{1,2}= & -\frac{\textcolor{orangered}{9}}{2} & \pm \begin{array}{cc} \sqrt{ \begin{array}{cc} \left(\frac{\textcolor{orangered}{9}}{2}\right)^2 & - \textcolor{orange}{8}\end{array}} \end{array} \\ \end{array} \]
Nachem wir \(\textcolor{orangered}{p}\) und \(\textcolor{orange}{q}\) eingesetzt haben können wir die Lösung berechnen:
\[ \begin{array}{ccc} & x_{1,2}= & -\frac{\textcolor{orangered}{9}}{2} & \pm \begin{array}{cc} \sqrt{ \begin{array}{cc} \left(\frac{\textcolor{orangered}{9}}{2}\right)^2 & - \textcolor{orange}{8}\end{array}} \end{array} \\ & & \downarrow & \begin{array}{cc} & & \downarrow & & \downarrow \end{array} \\ & x_{1,2}= & -4,5 & \pm \underbrace{ \sqrt{ 20,25 - \textcolor{orange}{8}} } \\ & \\ & x_{1,2}= & -4,5 & \pm \sqrt{ 12,25 } \\ & \\ & x_{1,2}= & -4,5 & \textcolor{green}{\pm} 3,5 \\ \end{array} \]
Das \(\textcolor{green}{\pm}\) in der Gleichung sagt, dass du einmal \(\textcolor{green}{+}\) und einmal \(\textcolor{green}{-}\) rechnen musst, um \(x_1\) und \(x_2\) zu bestimmen.
\[ \begin{array}{cc} x_1= -4,5 \textcolor{green}{+} 3,5 && x_2= -4,5 \textcolor{green}{-} 3,5 \\ \end{array} \]
\(x_1= -1 \hspace{1cm} x_2= -8 \)
Achtung: Denke daran, dass du beim Ausdruck \(\left(\frac{p}{2}\right)^2\) die Klammer setzt. Auch beim Tippen in den Taschenrechner!

2. Beispiel

Beispiel
\[x^2 \textcolor{orangered}{-2}x\textcolor{orange}{-8} =0\]
In dieser Gleichung haben sowohl \(\textcolor{orangered}{p}\) als auch \(\textcolor{orange}{q}\) ein Minus vor sich. Das ist wichtig, wenn wir \(\textcolor{orangered}{p}\) und \(\textcolor{orange}{q}\) ablesen.
\[ \begin{array}{ccc} & x^2 & + \textcolor{orangered}{p}x & + \textcolor{orange}{q} \\ & \downarrow & \downarrow & \downarrow \\ & x^2 & \textcolor{orangered}{-2}x & \textcolor{orange}{-8} & =0\\ & & \downarrow & \downarrow \\ & & \textcolor{orangered}{p=-2} & \textcolor{orange}{q=-8} \end{array} \]
Wichtig: die Vorzeichen vor \(\textcolor{orangered}{p}\) und \(\textcolor{orange}{q}\) musst du beim Ablesen immer mitnehmen!

Nun setzen wir die Werte wieder in die pq-Formel ein, um die Lösung zu berechnen.
\[ \begin{array}{ccc} & x_{1,2}= & -\frac{\textcolor{orangered}{p}}{2} & \pm \begin{array}{cc} \sqrt{ \begin{array}{cc} \left(\frac{\textcolor{orangered}{p}}{2}\right)^2 & - \textcolor{orange}{q}\end{array}} \end{array} \\ & & \downarrow & \begin{array}{cc} & & \downarrow & & \downarrow \end{array} \\ & & \textcolor{orangered}{p=-2} & \begin{array}{cc} & & \textcolor{orangered}{p=-2} & \textcolor{orange}{q=-8} \end{array} \\ & & \downarrow & \begin{array}{cc} & & \downarrow & & \downarrow \end{array} \\ & x_{1,2}= & -\frac{\textcolor{orangered}{(-2)}}{2} & \pm \begin{array}{cc} \sqrt{ \begin{array}{cc} \left(\frac{\textcolor{orangered}{(-2)}}{2}\right)^2 & - \textcolor{orange}{(-8)}\end{array}} \end{array} \\ \end{array} \]
Hier musst du besonders darauf achten alle negativen Zahlen in Klammern zu setzen.
\[ \begin{array}{ccc} & x_{1,2}= & -\frac{\textcolor{orangered}{(-2)}}{2} & \pm \begin{array}{cc} \sqrt{ \begin{array}{cc} \left(\frac{\textcolor{orangered}{(-2)}}{2}\right)^2 & - \textcolor{orange}{(-8)}\end{array}} \end{array} \\ & & \downarrow & \begin{array}{cc} & & \downarrow & & \downarrow \end{array} \\ & x_{1,2}= & 1 & \pm \underbrace{ \sqrt{ 1 + \textcolor{orange}{8}} } \\ & \\ & x_{1,2}= & 1 & \pm \sqrt{ 9 } \\ & \\ & x_{1,2}= & 1 & \pm 3 \\ \end{array} \]
Jetzt wieder einmal \(\textcolor{green}{+}\) und einmal \(\textcolor{green}{-}\) rechnen um \(x_1\) und \(x_2\) zu bestimmen.
\[ \begin{array}{cc} x_1= 1 \textcolor{green}{+} 3 &&& x_2= 1 \textcolor{green}{-} 3 \\ \end{array} \]
\(x_1= 4 \hspace{1cm} x_2= -2\)

3. Beispiel

Beispiel
\[\textcolor{midnightblue}{4}x^2+80x-176=0\]
In dieser quadratischen Gleichung steht vor dem \(x^2\) der Faktor 4. Um \(\textcolor{orangered}{p}\) und \(\textcolor{orange}{q}\) ablesen zu können muss das \(x^2\) immer alleine stehen. Das erreichst du, indem du die ganze Gleichung durch den Faktor dividierst:
\[ \begin{array}{cccc} \textcolor{midnightblue}{4}x^2 & +80x & -176 & =0 & \hspace{3mm} |:\textcolor{midnightblue}{4} \\ \\ \downarrow :4 & \downarrow :4 & \downarrow :4 & \downarrow :4\\ \\ x^2 & +20x & -44 & =0 \end{array} \]
Es ist ganz wichtig, dass du jeden einzelnen Summanden durch 4 dividierst. Die Pfeile unter jedem Summanden in der Rechnung verdeutlichen das.

Nun ist die Gleichung in der Normalform und du kannst \(\textcolor{orangered}{p}\) und \(\textcolor{orange}{q}\) ablesen.
\[ \begin{array}{ccc} x^2 & \textcolor{orangered}{+20}x & \textcolor{orange}{-44} & =0 \\ & \downarrow & \downarrow & \\ & \textcolor{orangered}{p=20} & \textcolor{orange}{q=-44} \end{array} \]
An dieser Stelle setzen wir wieder in die pq-Formel ein um die Lösung der Gleichung zu berechnen. Denk dabei an alle Klammern und daran, dass du am Ende \(+\) und \(-\) getrennt betrachtest.
\[ \begin{array}{ccc} x_{1,2}= & -\frac{\textcolor{orangered}{p}}{2} & \pm \begin{array}{cc} \sqrt{ \begin{array}{cc} \left(\frac{\textcolor{orangered}{p}}{2}\right)^2 & - \textcolor{orange}{q}\end{array}} \end{array} \\ & \downarrow & \begin{array}{cc} & & \downarrow & & \downarrow \end{array} \\ & \textcolor{orangered}{p=20} & \begin{array}{cc} & & \textcolor{orangered}{p=20} & \textcolor{orange}{q=-44} \end{array} \\ & \downarrow & \begin{array}{cc} & & \downarrow & & \downarrow \end{array} \\ x_{1,2}= & -\frac{\textcolor{orangered}{20}}{2} & \pm \begin{array}{cc} \sqrt{ \begin{array}{cc} \left(\frac{\textcolor{orangered}{20}}{2}\right)^2 & - \textcolor{orange}{(-44)}\end{array}} \end{array} \\ & \downarrow & \begin{array}{cc} & & \downarrow & & \downarrow \end{array} \\ x_{1,2}= & -10 & \pm \underbrace{ \sqrt{ 100 + \textcolor{orange}{44}} } \\ & \\ x_{1,2}= & -10 & \pm \sqrt{ 144 } \\ & \\ x_{1,2}= & -10 & \pm 12 \\ \\ x_1= -10 \textcolor{green}{+} 12 && x_2= -10 \textcolor{green}{-} 12 \\ \end{array} \]
\[ \begin{array}{cc} x_1= -10 \textcolor{green}{+} 12 &&& x_2= -10 \textcolor{green}{-} 12 \\ \end{array} \]
\(x_1= 2 \hspace{1cm} x_2= -22\)
Merke
Du hast jetzt in 3 Beispielen gelernt die pq-Formel richtig anzuwenden:
  • \(\textcolor{orangered}{p}\) und \(\textcolor{orange}{q}\) müssen an der Normalform abgelesen werden.
  • Steht vor dem \(x^2\) ein Faktor musst du zunächst die ganze Gleichung durch diesen Faktor dividieren
  • Achte beim Einsetzen darauf, dass du alle negativen Zahlen in Klammern gesetzt hast.
  • Vergiss nicht die Klammer beim Ausdruck \(\left(\frac{p}{2}\right)^2\)
  • Auch beim Tippen in den Taschenrechner sind die Klammern sehr wichtig.

Besonderheiten in der Rechnung

Hier zeigen wir dir noch 2 Besonderheiten, die beim Rechnen mit der pq-Formel auftreten können. Da du dazu inzwischen schon einiges weißt, werden wir es ein wenig kürzer halten.
1. Besonderheit
\[x^2\textcolor{orangered}{-12}x\textcolor{orange}{+36}=0 \] \[\textcolor{orangered}{p=-12} \quad \textcolor{orange}{q=36}\] \[ \begin{array}{ccc} x_{1,2}= & -\frac{\textcolor{orangered}{(-12)}}{2} & \pm \begin{array}{cc} \sqrt{ \begin{array}{cc} \left(\frac{\textcolor{orangered}{(-12)}}{2}\right)^2 & - \textcolor{orange}{(36)}\end{array}} \end{array} \\ & \downarrow & \begin{array}{cc} & & \downarrow & & \downarrow \end{array} \\ x_{1,2}= & 6 & \pm \underbrace{ \sqrt{ 36 - \textcolor{orange}{36}} } \\ & \\ x_{1,2}= & 6 & \pm \sqrt{ 0 } \\ & & \downarrow \\ x_{1,2}= & 6 & \text{fällt weg} \end{array} \]
\[x=6\]
Ergibt die Rechnung unter der Wurzel 0, so hat die quadratische Gleichung nur eine Lösung.
2. Besonderheit
\[x^2\textcolor{orangered}+{2}x\textcolor{orange}{+4}=0 \] \[\textcolor{orangered}{p=2} \quad \textcolor{orange}{q=4}\] \[ \begin{array}{ccc} x_{1,2}= & -\frac{\textcolor{orangered}{2}}{2} & \pm \begin{array}{cc} \sqrt{ \begin{array}{cc} \left(\frac{\textcolor{orangered}{2}}{2}\right)^2 & - \textcolor{orange}{(4)}\end{array}} \end{array} \\ & \downarrow & \begin{array}{cc} & & \downarrow & & \downarrow \end{array} \\ x_{1,2}= & -1 & \pm \underbrace{ \sqrt{ 1 - \textcolor{orange}{4}} } \\ & \\ x_{1,2}= & -1 & \pm \sqrt{ -3 } \\ & & \downarrow \\ x_{1,2}= & -1 & \text{nicht lösbar} \end{array} \]
\[\text{keine Lösung}\]
Ergibt die Rechnung unter der Wurzel eine negative Zahl, so hat die quadratische Gleichung keine Lösung. Es ist nicht möglich, die Wurzel aus einer negativen Zahl zu ziehen.

Zusatzwissen: den Teil der Rechnung, der unter der Wurzel stattfindet nennt man Diskriminante. Die Diskriminante ist entscheident für die Anzahl der Lösungen einer quadratischen Gleichung.

Teste dein Wissen

Übungen

Löse die Gleichung mit der pq-Formel

\( x^2 - 6x + 8 = 0 \)

Lösung

\( x_{1,2} = -\frac{-6}{2} \pm \sqrt{\left( \frac{-6}{2} \right)^2 - 8} \)

\( x_1 = 4, \quad x_2 = 2 \)

Löse die Gleichung mit der pq-Formel, beachte den Streckfaktor.

\( 2x^2 - 8x + 6 = 0 \)

Lösung

\( x_{1,2} = -\frac{-4}{2} \pm \sqrt{\left( \frac{-4}{2} \right)^2 - 3} \)

\( x_1 = 3, \quad x_2 = 1 \)

\( 3x^2 - 12x + 9 = 0 \)

Lösung

\( x_{1,2} = -\frac{-4}{2} \pm \sqrt{\left( \frac{-4}{2} \right)^2 - 3} \)

\( x_1 = 3, \quad x_2 = 1 \)

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Mehr dazu

in unseren FAQs

Was ist die pq-Formel, und wann wird sie verwendet?

Die pq-Formel ist eine Methode, um quadratische Gleichungen in einer bestimmten Form schnell zu lösen. Sie wird verwendet, wenn du Nullstellen einer quadratischen Funktion finden möchtest.

Kann ich die pq-Formel bei jeder quadratischen Gleichung einsetzen?

Nein, die pq-Formel funktioniert nur, wenn die Gleichung in einer speziellen Form vorliegt. Du musst die Gleichung vorher eventuell umstellen.

Warum gibt es manchmal keine Lösungen?

Wenn eine quadratische Gleichung keine Nullstellen hat, liegt das daran, dass sie keine Werte annimmt, bei denen die Funktion null wird. Dies hängt von der Struktur der Gleichung ab.

Wie finde ich heraus, ob die pq-Formel Lösungen liefert?

Die Anzahl der Lösungen hängt von einer Berechnung ab, die zeigt, ob die Gleichung zwei, eine oder keine Nullstellen hat. Diese Überprüfung ist Teil der Methode.

Was sind typische Fehler bei der Anwendung der pq-Formel?

Häufige Fehler sind das Übersehen von Vorzeichen, das falsche Einsetzen von Werten oder das Anwenden der Methode auf eine nicht passende Gleichung.

Vertiefung

Weiterführende Informationen

Die pq-Formel – Dein Werkzeug für quadratische Gleichungen

Die pq-Formel ist eine Methode, um Nullstellen quadratischer Gleichungen schnell und einfach zu bestimmen. Quadratische Gleichungen tauchen in vielen Bereichen auf, sei es in der Mathematik, der Physik oder in alltäglichen Anwendungen wie der Berechnung von Wurfparabeln. Mit der pq-Formel kannst du solche Aufgaben effizient lösen, ohne dich in komplizierte Umformungen zu verlieren.

Was ist die pq-Formel?


Die pq-Formel hilft dir, Nullstellen einer speziellen Form quadratischer Gleichungen zu berechnen. Eine quadratische Gleichung besteht aus einem Term mit der Variablen im Quadrat, einem weiteren mit der Variablen selbst und einem konstanten Wert. Wenn die Gleichung richtig umgeformt ist, liefert die pq-Formel die Werte, bei denen die Funktion ihren Wert null annimmt.

Warum ist die pq-Formel nützlich?

Die pq-Formel ist besonders praktisch, weil sie leicht anzuwenden und gut zu merken ist. Anstatt eine aufwändige allgemeine Lösung zu nutzen, kannst du schnell die gegebenen Werte einsetzen und erhältst das Ergebnis.

Praktische Anwendungen der pq-Formel

  • Geometrie: Schnittpunkte von Parabeln mit einer Achse berechnen.
  • Physik: Zeitpunkte ermitteln, bei denen ein geworfener Gegenstand den Boden erreicht.
  • Wirtschaft: Optimierung von quadratischen Gewinn- oder Kostenfunktionen.

Häufige Fehler vermeiden

  1. Gleichung nicht richtig umstellen: Vor der Anwendung der pq-Formel muss die Gleichung immer korrekt vorbereitet werden.
  2. Vorzeichen übersehen: Das richtige Übernehmen von Vorzeichen ist entscheidend für die richtige Lösung.
  3. Die Diskriminante ignorieren: Wenn eine Gleichung keine reellen Nullstellen hat, ist dies an der Diskriminante zu erkennen.

Tipps für die Anwendung der pq-Formel

  • Achte darauf, dass die Gleichung immer in der richtigen Form vorliegt.
  • Prüfe, ob es überhaupt Lösungen gibt, indem du die Struktur der Gleichung analysierst.
  • Übe regelmäßig, um die Methode sicher und fehlerfrei anzuwenden.

Die pq-Formel in der Praxis

Ob in der Schule oder bei komplexeren Aufgaben – die pq-Formel bleibt ein unverzichtbares Werkzeug der Mathematik. Sie spart Zeit und bietet eine klare Vorgehensweise, um quadratische Probleme effizient zu lösen.