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Bild Mathematik

Wie löse ich diese Potenzgleichung mit komplexen Lösungen?

https://www.wolframalpha.com/input/?i=4%5E%283x-1%29+%2B+3%5E%283x%2B5%29+%2B1024+%3D+0


LG!

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Es wird bei wolframalpha keine Schritt-für-Schritt-Lösung angezeigt. Wahrscheinlich muss ein Näherungsverfahren verwendet werden. Aber es interessiert mich auch, wie dieses mit Komplexen Zahlen funktioniert.

2 Antworten

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Beste Antwort

Bist Du sicher, dass die Aufgabe genau so lautet?

Meist stellen Lehrer Sonderfall-Fragen, wo sich was kürzt, oder wo glatte Ergebnisse herauskommen...

Habe gerade nicht genug Zeit für exakte Lösungswege wie

http://www.lamprechts.de/gerd/LambertW-Beispiele.html

(LambertW funktioniert auch mit komplexen Zahlen)

deshalb der universelle Lösungsweg: Newton-Iteration

Das SCHÖNE an der Mathematik ist, dass Gesetze meist universell sind -> mit anderen Worten:

Die Newton-Iteration funktioniert auch mit komplexen Zahlen!

Nach Umstellung:

4*3^{3*x+5}+64^x+4096=0   oder

972*27^{x}+64^x+4096 =0 hat man die Null-Funktion -> dann

Iterationsformel:

a[n+1]=a[n]-(4*3^{3*a[n]+5}+64^{a[n]}+4096)/(64^{a[n]}*log(64)+27^{2+a[n]} log(81))

geeigneten Startwert für a[0] {komplexe Feldvariable} suchen

und so lange einsetzen (iterieren), bis sich kaum noch was ändert, also bis der blaue Teil die gesuchte Genauigkeitsgrenze erreicht hat:

Realteil Re(x) und Im(x) kann man z.B. mit der Bedingung abs(blau)<10^{-10}  beschreiben (Abbruchbedingung).

Das komplizierte hierbei ist nun, dass es mehrere komplexe Lösungen gibt:

- also geeignete Startwerte zu finden

- gegebenenfalls die 0-Funktion umstellen, um andere Konvergenzgeschwindigkeit zu bekommen 

Wenn Du mehr brauchst (einige konkrete komplexe Zwischenergebnisse), melde Dich.

Und: wie man bei WolframAlpha sieht, ist meist +/- selbe Imaginärteil

(also wie hier 2 Doppel-Lösungen; es könnte auch noch mehr geben...)

Man sollte aber immer eine Kontroll-Rechnung mit den kompexen Zahlen machen, da das "Überschlagen" mit komplexen Zahlen per normalen Menschengehirn nicht funktioniert.

Avatar von 5,7 k

Die 4 Wolfram-Alpha-Lösungen war ja allen bekannt:

972*27^{x}+64^x=-4096

x1,2 = 0.4359896658948649386685822285+/-14.29810628829993914516504423 i...

x3,4 = 0.4361229916141170619053706690+/-0.952867359379035587525582331 i...

Das interessante an dieser Aufgabe sind 2 weitere Nullstellen:

x5,6 = 7.9710166919621921860516359722472+/-3.64012099285425529822672541261636 i

Man bekommt sie durch weiteres Umstellen nach

-1=972*e^{log[27/64]*x}+e^{-log[64]x}*4096

Das Besondere: 

rechnet man mit "nur 26 Nachkomma-Stellen", bekommt man 

x=7.97101669196219535636256385+/-3.640120992854257240624375764 i

und bei der Kontrolle kommt statt 0 der Wert

-0.20012262414-0.00388929300 i also schon die 1. Stelle nach dem Komma viel größer als 0

als ob dieses keine Nullstelle (Lösung) wäre!

Schönes Beispiel für nichtlineare Fehlerfortpflanzung mir extremen Auswirkungen!

Beispiel einer Newton Iteration und neue Fundstelle:

Bild Mathematik

x7,8=0.436788188774572055283441928442487+/-2.85931656042040158231810085545378i

Es wimmelt nur so von Nullstellen ->also schauen wir uns mal die 3D-Grafik dazu an (x & y sind re & im; z ist abs(a[n])

von oben betrachtet sind die Nullstellen die Spitzen nach unten (unten links im Bild):

Bild Mathematik

also Bild umdrehen, um die Spitzen (Nullstellen) besser zu erkennen:

Bild Mathematik

Die Näherungsformel zum Starten der Iterationen lautet

[log(1024/243)+i*Pi+2Pi*n*i]/log(27)  ; n ∈ ganze Zahl (auch negativ)

Sie ist bei n=-8...8 etwa 3 Nachkommastellen genau

Für die, die nur 3 Nachkommastellen brauchen, ist das bereits die Endlösung.

Es gibt aber noch ganz andere wie:

x9,10=7.9710166919651854865929490241742+/-40.0413309212836204111466866628808 i 

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Hi,
das Newtonverfahren mit Startwert i liefert eine Nullstelle und zwar $$ 0.436 + 0.953 \cdot i $$

Avatar von 39 k

Nur mal für interessierte die Kontrollrechnung um zu zeigen, wie weit 

dieses Ergebnis von der wirklichen Nullstelle entfernt ist:

3^{3*[0.436+0.953i]+5}+4^{3*[0.436+0.953i]-1}+1024=0.415342-0.447473 i

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