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Substitution (Mathematik)

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Unter Substitution versteht man in der Mathematik allgemein das Ersetzen eines Terms durch einen anderen mit dem Ziel der Überführung des Ausgangsterms in eine einfach lösbare Standardform. Die Substitution wird unter anderem verwendet, um lineare wie nichtlineare Gleichungen zu lösen, im Besonderen auch biquadratische Gleichungen, darüber hinaus bei Variablentransformationen zum Lösen von Differentialgleichungen, bei Reihen und komplizierte Indizes zu vereinfachen, bei Koordinatentransformationen in der Geometrie und Analysis, zur Lösung von Integralen mittels Substitution oder zur Transformation von Zufallsvariablen in der Wahrscheinlichkeitsrechnung.

Beispiele

Funktionsgraphen vor und nach der Substitution

Biquadratische Gleichung

Folgendes Beispiel nutzt die Substitution, um die Lösungsmenge einer gegebenen biquadratischen Gleichung bzw. die Nullstellen einer ganzrationalen Funktion bzw. eines Polynoms 4. Grades zu bestimmen.[1]

Die Gleichung

x4+x2−2=0

lässt sich durch die Substitution t:=x2 in

t2+t−2=0

überführen. Diese quadratische Gleichung lässt sich nun mit Standardverfahren wie zum Beispiel mit der p-q-Formel lösen. Man erhält als Lösungen t1=1 und t2=−2. Durch Rücksubstitution erhält man für x die Gleichungen

x2=1

mit den Lösungen x1=1 und x2=−1 sowie

x2=−2

mit den komplexen Lösungen x3=i2 und x4=−i2. Die Ausgangsgleichung hat somit als Lösungsmenge {1,−1} in ℝ bzw. {1,−1,i2,−i2} in ℂ.

Gleichung mit Exponentialfunktion

Nun soll die Gleichung

exp⁡(2x)−2exp⁡(x)−3=0

gelöst werden, wobei exp⁡(x)=ex die natürliche Exponentialfunktion ist. Diese Gleichung lässt sich durch die Substitution t:=exp⁡(x) umformulieren zu

t2−2t−3=(t−3)(t+1)=0,

mit Lösungen t1=3,t2=−1, wodurch x1=ln⁡(t1)=ln⁡(3)∈ℝ,x2=ln⁡(t2)=ln⁡(−1)=iπ∈ℂ∖ℝ. Somit ist die Lösungsmenge der ursprünglichen Gleichung {ln⁡(3)} in ℝ bzw. {ln⁡(3),ln⁡(−1)}={ln⁡(3),iπ} in ℂ.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. ↑ Jan Peter Gehrk: Mathematik im Studium: Brückenkurs für Wirtschafts- und Naturwissenschaften. R. Oldenbourg Verlag, München 2010, ISBN 978-3-486-59910-7, S. 116–117.