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Binomische Formeln - aiMOOC

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Binomische Formeln - aiMOOC



Einleitung

Binomische Formeln sind wichtige Rechenregeln der Algebra. Du verwendest sie, um Produkte aus zwei zweigliedrigen Termen schnell auszumultiplizieren oder Terme rückwärts zu faktorisieren. Besonders häufig brauchst Du sie in der Sekundarstufe I, beim Umformen von Termen, beim Lösen von Gleichungen, beim Kopfrechnen und später bei quadratischen Gleichungen.

Ein Binom ist ein Term mit zwei Gliedern, zum Beispiel a+b, x3 oder 2m+5n. Die drei binomischen Formeln beschreiben, was passiert, wenn solche Binome miteinander multipliziert werden. Mit der MediaWiki-Extension Math kannst Du die Formeln gut lesbar darstellen:

(a+b)2=a2+2ab+b2

(ab)2=a22ab+b2

(a+b)(ab)=a2b2


Warum sind binomische Formeln nützlich?

Die binomischen Formeln sind keine Tricks, sondern Kurzformen des Distributivgesetzes. Sie helfen Dir, wiederkehrende Rechenmuster schneller zu erkennen. Wenn Du etwa (x+4)2 siehst, musst Du nicht jedes Mal vollständig ausmultiplizieren. Du kannst direkt die erste binomische Formel anwenden:

(x+4)2=x2+2x4+42=x2+8x+16

Genauso wichtig ist die umgekehrte Richtung. Aus x2+8x+16 kannst Du wieder (x+4)2 machen. Diese Umformung nennt man Faktorisieren. Sie ist später wichtig beim Lösen von Gleichungen, beim Kürzen von Brüchen mit Variablen und bei der quadratischen Ergänzung.

Datei:Binomial theorem visualisation.svg

Die Abbildung zeigt anschaulich, dass die Ausdrücke einer binomischen Potenz aus mehreren Teilflächen oder Teilkörpern zusammengesetzt werden können. Für Klasse 7–8 ist besonders die quadratische Version wichtig: Ein großes Quadrat mit Seitenlänge a+b besteht aus einem Quadrat a2, zwei Rechtecken ab und einem Quadrat b2.

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Grundlagen


Terme, Faktoren und Potenzen

Um die binomischen Formeln sicher zu verwenden, brauchst Du einige Grundbegriffe:

  1. Term: Ein mathematischer Ausdruck, zum Beispiel 3x+5.
  2. Variable: Ein Platzhalter für Zahlen, zum Beispiel x, a oder b.
  3. Faktor: Ein Bestandteil einer Multiplikation, zum Beispiel sind in 2ab die Bestandteile 2, a und b Faktoren.
  4. Potenz: Eine wiederholte Multiplikation, zum Beispiel bedeutet a2 dasselbe wie aa.
  5. Klammerrechnung: Beim Rechnen mit Klammern muss beachtet werden, dass eine Potenz über einer Klammer die ganze Klammer betrifft.

Ein häufiger Fehler besteht darin, (a+b)2 fälschlich als a2+b2 zu schreiben. Das ist falsch, weil die Klammer zweimal als Faktor vorkommt:

(a+b)2=(a+b)(a+b)

Beim Ausmultiplizieren entstehen vier Teilprodukte:

(a+b)(a+b)=aa+ab+ba+bb

Da ab und ba gleich sind, entstehen zwei gleiche gemischte Produkte:

a2+ab+ab+b2=a2+2ab+b2


Die drei binomischen Formeln im Überblick

Name Formel Bedeutung Beispiel
Erste binomische Formel (a+b)2=a2+2ab+b2 Quadrat einer Summe (x+5)2=x2+10x+25
Zweite binomische Formel (ab)2=a22ab+b2 Quadrat einer Differenz (x5)2=x210x+25
Dritte binomische Formel (a+b)(ab)=a2b2 Produkt aus Summe und Differenz (x+5)(x5)=x225

Die Buchstaben a und b sind Platzhalter. Du darfst für sie Zahlen, Variablen oder ganze Terme einsetzen. Wichtig ist, dass Du die Bestandteile richtig erkennst.


Erste binomische Formel


Formel und Bedeutung

Die erste binomische Formel lautet:

(a+b)2=a2+2ab+b2

Sie beschreibt das Quadrat einer Summe. Wenn zwei Terme addiert und anschließend quadriert werden, entstehen drei Bestandteile:

  1. Quadrat des ersten Terms: a2
  2. Doppeltes Produkt beider Terme: 2ab
  3. Quadrat des zweiten Terms: b2

Du kannst Dir die Formel geometrisch vorstellen. Ein Quadrat mit der Seitenlänge a+b hat den Flächeninhalt (a+b)2. Teilt man dieses Quadrat in Teilflächen, entstehen ein Quadrat mit a2, zwei Rechtecke mit jeweils ab und ein Quadrat mit b2. Zusammen ergibt das a2+2ab+b2.


Beispiel mit Zahlen

Berechne 232 mithilfe der ersten binomischen Formel.

232=(20+3)2

(20+3)2=202+2203+32

=400+120+9=529

Die Formel hilft also auch beim Kopfrechnen.


Beispiel mit Variablen

Multipliziere (3x+2)2 aus.

Hier ist a=3x und b=2.

(3x+2)2=(3x)2+2(3x)2+22

=9x2+12x+4

Achte darauf, dass beim Quadrieren von 3x sowohl die Zahl als auch die Variable quadriert werden:

(3x)2=32x2=9x2


Zweite binomische Formel


Formel und Bedeutung

Die zweite binomische Formel lautet:

(ab)2=a22ab+b2

Sie beschreibt das Quadrat einer Differenz. Der Unterschied zur ersten binomischen Formel liegt im Vorzeichen des gemischten Glieds. Beim Quadrat von ab entsteht 2ab.

Die Herleitung zeigt den Grund:

(ab)2=(ab)(ab)

=aaabba+bb

=a2abab+b2

=a22ab+b2


Beispiel mit Zahlen

Berechne 982.

982=(1002)2

(1002)2=100221002+22

=10000400+4=9604

Hier siehst Du, wie die zweite binomische Formel Kopfrechnen erleichtern kann.


Beispiel mit Variablen

Multipliziere (4x7)2 aus.

Hier ist a=4x und b=7.

(4x7)2=(4x)22(4x)7+72

=16x256x+49

Ein typischer Fehler wäre 16x249. Das wäre falsch, weil das gemischte Glied 56x fehlt.

Datei:BinomischeMinus.png


Dritte binomische Formel


Formel und Bedeutung

Die dritte binomische Formel lautet:

(a+b)(ab)=a2b2

Sie beschreibt das Produkt aus einer Summe und der passenden Differenz. Das Besondere ist: Die gemischten Produkte heben sich gegenseitig auf.

(a+b)(ab)=a2ab+abb2

Da ab+ab=0 gilt, bleibt:

a2b2

Deshalb nennt man das Ergebnis auch Differenz von Quadraten.

Datei:Difference of two squares.svg


Beispiel mit Zahlen

Berechne 5149.

5149=(50+1)(501)

=50212

=25001=2499

Die dritte binomische Formel eignet sich besonders gut, wenn zwei Faktoren gleich weit von einer runden Zahl entfernt sind.


Beispiel mit Variablen

Multipliziere (2x+9)(2x9) aus.

Hier ist a=2x und b=9.

(2x+9)(2x9)=(2x)292

=4x281

Es gibt kein gemischtes Glied, weil es sich bei der dritten binomischen Formel weghebt.


Binomische Formeln rückwärts anwenden


Faktorisieren mit binomischen Formeln

Beim Ausmultiplizieren gehst Du von einer Klammerform zur Summenform:

(x+6)2=x2+12x+36

Beim Faktorisieren gehst Du den umgekehrten Weg:

x2+12x+36=(x+6)2

Dafür musst Du Muster erkennen. Die erste und zweite binomische Formel liefern immer drei Glieder. Das erste und das letzte Glied sind Quadrate. Das mittlere Glied ist das doppelte Produkt der beiden Grundterme.


Muster der ersten binomischen Formel erkennen

Prüfe den Term x2+14x+49.

Das erste Glied ist ein Quadrat:

x2=(x)2

Das letzte Glied ist ein Quadrat:

49=72

Das mittlere Glied muss 2x7=14x sein. Das passt.

Also gilt:

x2+14x+49=(x+7)2


Muster der zweiten binomischen Formel erkennen

Prüfe den Term x218x+81.

Das erste Glied ist x2. Das letzte Glied ist 81=92. Das mittlere Glied ist negativ:

18x=2x9

Also gilt:

x218x+81=(x9)2


Muster der dritten binomischen Formel erkennen

Prüfe den Term 25x264.

Hier gibt es zwei Quadrate mit einem Minuszeichen dazwischen:

25x2=(5x)2

64=82

Also gilt:

25x264=(5x+8)(5x8)


Typische Fehler und wie Du sie vermeidest


Fehlendes gemischtes Glied

Der häufigste Fehler lautet:

(a+b)2=a2+b2

Das ist falsch. Richtig ist:

(a+b)2=a2+2ab+b2

Du kannst Dir merken: Beim Quadrat einer Summe oder Differenz entstehen immer drei Glieder. Das mittlere Glied ist bei der ersten Formel positiv und bei der zweiten Formel negativ.


Falsches Vorzeichen

Bei der zweiten binomischen Formel ist nur das gemischte Glied negativ:

(ab)2=a22ab+b2

Das letzte Glied b2 ist positiv, weil (b)(b)=b2 gilt.


Falsches Quadrieren von Produkten

Wenn ein Term wie 3x quadriert wird, musst Du beide Faktoren quadrieren:

(3x)2=9x2

Nicht richtig wäre 3x2, denn dabei wäre die Zahl 3 nicht quadriert worden.


Verwechslung der dritten Formel

Die dritte binomische Formel gilt nur, wenn die beiden Klammern fast gleich sind, aber einmal ein Plus und einmal ein Minus enthalten:

(a+b)(ab)=a2b2

Für (a+b)(a+c) darfst Du sie nicht verwenden, weil die zweiten Glieder nicht entgegengesetzt gleich sind.


Strategien zum sicheren Anwenden


Schrittfolge beim Ausmultiplizieren

Wenn Du eine binomische Formel anwenden willst, kannst Du so vorgehen:

  1. Erkennen: Prüfe, ob eine der drei Formen vorliegt.
  2. Zuordnen: Bestimme, welcher Term a und welcher Term b ist.
  3. Einsetzen: Setze a und b in die passende Formel ein.
  4. Vereinfachen: Quadriere sorgfältig und fasse gleichartige Terme zusammen.
  5. Kontrollieren: Prüfe die Vorzeichen und das gemischte Glied.


Entscheidungshilfe

Gegebene Form Passende Formel Ergebnisstruktur
(a+b)2 Erste binomische Formel Drei Glieder, mittleres Glied positiv
(ab)2 Zweite binomische Formel Drei Glieder, mittleres Glied negativ
(a+b)(ab) Dritte binomische Formel Zwei Glieder, Differenz von Quadraten


Anwendungen


Kopfrechnen

Die binomischen Formeln helfen, schwierige Quadrate oder Produkte geschickt zu berechnen.

Beispiel:

412=(40+1)2=402+2401+12=1600+80+1=1681

Beispiel:

6773=(703)(70+3)=70232=49009=4891


Terme vereinfachen

In der Algebra treten häufig Terme auf, die sich mit binomischen Formeln vereinfachen lassen.

Beispiel:

(x+3)2(x3)2

Zuerst beide Klammern ausmultiplizieren:

(x+3)2=x2+6x+9

(x3)2=x26x+9

Dann einsetzen:

(x2+6x+9)(x26x+9)

=x2+6x+9x2+6x9=12x


Geometrie und Flächeninhalte

Die erste binomische Formel kann als Flächenzerlegung verstanden werden. Ein Quadrat mit Seitenlänge a+b besteht aus vier Teilflächen: a2, ab, ab und b2. Dadurch entsteht die Formel a2+2ab+b2.

Die dritte binomische Formel beschreibt die Differenz zweier Quadratflächen. Wenn Du von einem großen Quadrat mit Flächeninhalt a2 ein kleineres Quadrat mit Flächeninhalt b2 entfernst, bleibt a2b2. Diese Restfläche kann zu einem Rechteck mit den Seitenlängen a+b und ab umgelegt werden.


Vorbereitung auf quadratische Gleichungen

Später wirst Du Terme wie x2+10x+25 verwenden, um Gleichungen zu lösen. Weil

x2+10x+25=(x+5)2

gilt, kannst Du die Gleichung

x2+10x+25=0

als

(x+5)2=0

schreiben. Daraus erkennt man sofort:

x=5

Damit bereiten die binomischen Formeln auf die quadratischen Gleichungen und die quadratische Ergänzung vor.


Übungsbeispiele mit Lösungen


Ausmultiplizieren

Aufgabe Lösung Verwendete Formel
(x+8)2 x2+16x+64 Erste binomische Formel
(x4)2 x28x+16 Zweite binomische Formel
(x+11)(x11) x2121 Dritte binomische Formel
(2x+3)2 4x2+12x+9 Erste binomische Formel
(5x1)2 25x210x+1 Zweite binomische Formel
(7x+2)(7x2) 49x24 Dritte binomische Formel


Faktorisieren

Aufgabe Lösung Begründung
x2+6x+9 (x+3)2 9=32 und 6x=2x3
x220x+100 (x10)2 100=102 und 20x=2x10
x249 (x+7)(x7) Differenz zweier Quadrate
9x2+30x+25 (3x+5)2 9x2=(3x)2 und 25=52
16x281 (4x+9)(4x9) Differenz zweier Quadrate


Interaktive Aufgaben


Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Formel beschreibt das Quadrat einer Summe? (Erste binomische Formel) (!Zweite binomische Formel) (!Dritte binomische Formel) (!Punkt-vor-Strich-Regel)




Welche Formel beschreibt das Quadrat einer Differenz? (Zweite binomische Formel) (!Erste binomische Formel) (!Dritte binomische Formel) (!Kommutativgesetz der Addition)




Welche Formel beschreibt das Produkt aus Summe und passender Differenz? (Dritte binomische Formel) (!Erste binomische Formel) (!Zweite binomische Formel) (!Prozentrechnung)




Was ist das Ergebnis von x plus 4 zum Quadrat? (x Quadrat plus 8x plus 16) (!x Quadrat plus 16) (!x Quadrat plus 4x plus 16) (!x Quadrat plus 8x plus 4)




Was ist das Ergebnis von x minus 6 zum Quadrat? (x Quadrat minus 12x plus 36) (!x Quadrat minus 36) (!x Quadrat plus 12x plus 36) (!x Quadrat minus 6x plus 36)




Was ist das Ergebnis von x plus 9 mal x minus 9? (x Quadrat minus 81) (!x Quadrat plus 81) (!x Quadrat minus 18x plus 81) (!x Quadrat plus 18x minus 81)




Welches Glied fehlt oft beim falschen Quadrieren einer Summe? (Doppeltes Produkt) (!Letztes Quadrat) (!Erstes Quadrat) (!Gleichheitszeichen)




Was entsteht beim Quadrieren von 3x? (9x Quadrat) (!3x Quadrat) (!6x) (!9x)




Welche Klammerform gehört zu x Quadrat plus 10x plus 25? (x plus 5 zum Quadrat) (!x minus 5 zum Quadrat) (!x plus 10 zum Quadrat) (!x plus 25 zum Quadrat)




Welche Klammerform gehört zu 4x Quadrat minus 49? (2x plus 7 mal 2x minus 7) (!4x plus 7 mal 4x minus 7) (!2x minus 7 zum Quadrat) (!4x minus 49 zum Quadrat)





Memory

Erste Formel Quadrat einer Summe
Zweite Formel Quadrat einer Differenz
Dritte Formel Differenz zweier Quadrate
Gemischtes Glied Doppeltes Produkt
Faktorisieren Klammerform herstellen
Ausmultiplizieren Klammern auflösen





Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu. Thema
Quadrat einer Summe Erste binomische Formel
Quadrat einer Differenz Zweite binomische Formel
Summe mal Differenz Dritte binomische Formel
Doppeltes Produkt Gemischtes Glied
Klammern bilden Faktorisieren
Klammern auflösen Ausmultiplizieren




...


Kreuzworträtsel

Binom Wie nennt man einen Term mit zwei Gliedern?
Quadrat Wie heißt eine zweite Potenz anschaulich?
Differenz Wie nennt man das Ergebnis einer Subtraktion?
Faktor Wie heißt ein Bestandteil einer Multiplikation?
Faktorisieren Wie heißt das Umformen eines Terms in eine Produktform?
Distributivgesetz Welches Rechengesetz begründet das Ausmultiplizieren?





LearningApps


Lückentext

Vervollständige den Text.

Die

sind Rechenregeln der Algebra. Ein

ist ein Term mit zwei Gliedern. Bei der ersten binomischen Formel entsteht das Quadrat einer

. Bei der zweiten binomischen Formel ist das gemischte Glied

. Die dritte binomische Formel liefert eine Differenz von

. Das gemischte Glied heißt so, weil es aus dem Produkt der beiden

entsteht. Beim Ausmultiplizieren werden Klammern

. Beim Faktorisieren wird ein Term in eine

umgewandelt. Ein häufiger Fehler ist, das Glied

zu vergessen. Die binomischen Formeln beruhen auf dem

.




Offene Aufgaben


Leicht

  1. Formelplakat: Gestalte ein übersichtliches Plakat mit den drei binomischen Formeln, je einem Zahlenbeispiel und je einem Beispiel mit Variablen.
  2. Fehlersuche: Erfinde fünf falsche Rechnungen zu binomischen Formeln und erkläre schriftlich, worin jeweils der Fehler liegt.
  3. Kopfrechnen: Suche zehn Quadratzahlen, die Du mithilfe der ersten oder zweiten binomischen Formel schneller berechnen kannst.
  4. Merksatz: Formuliere zu jeder binomischen Formel einen eigenen Merksatz in Alltagssprache.


Standard

  1. Geometrische Darstellung: Zeichne ein Quadrat mit Seitenlänge a+b und beschrifte die Teilflächen so, dass die erste binomische Formel sichtbar wird.
  2. Rechenweg erklären: Erkläre einer Mitschülerin oder einem Mitschüler den Unterschied zwischen (ab)2 und a2b2 anhand eigener Beispiele.
  3. Faktorisierungsübung: Sammle zehn Terme, die sich mit binomischen Formeln faktorisieren lassen, und ordne sie den drei Formeln zu.
  4. Lernvideo: Erstelle ein kurzes Erklärvideo, in dem Du eine binomische Formel herleitest und an zwei Aufgaben anwendest.


Schwer

  1. Quadratische Ergänzung: Recherchiere, wie die erste binomische Formel bei der quadratischen Ergänzung verwendet wird, und löse dazu zwei selbst gewählte Beispiele.
  2. Anwendungsproblem: Entwickle eine Sachaufgabe aus der Geometrie, bei der eine binomische Formel zum Berechnen einer Fläche nötig ist.
  3. Beweisvergleich: Vergleiche eine algebraische Herleitung und eine geometrische Herleitung der ersten binomischen Formel. Beurteile, welche für Dich verständlicher ist.
  4. Umformungskette: Erstelle eine längere Termumformung mit mindestens drei binomischen Formeln und dokumentiere jeden Schritt nachvollziehbar.



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Lernkontrolle

  1. Begründung statt Auswendiglernen: Erkläre, warum (a+b)2 nicht gleich a2+b2 ist. Nutze dazu eine Rechnung und eine Flächenvorstellung.
  2. Transfer Kopfrechnen: Berechne 1022, 792 und 6357 mithilfe binomischer Formeln. Erkläre jeweils, warum Deine Zerlegung sinnvoll ist.
  3. Fehleranalyse: Eine Person schreibt (2x5)2=4x225. Analysiere den Fehler und verbessere die Rechnung vollständig.
  4. Rückwärtsdenken: Entscheide, welche der Terme x2+16x+64, x264, 9x224x+16 und 4x2+25 mit binomischen Formeln faktorisiert werden können. Begründe Deine Entscheidungen.
  5. Geometrischer Transfer: Beschreibe, wie man die dritte binomische Formel mit zwei Quadratflächen und einem Rechteckmodell veranschaulichen kann.
  6. Strategievergleich: Vergleiche das vollständige Ausmultiplizieren mit der Anwendung einer binomischen Formel. Wann ist welche Methode übersichtlicher?
  7. Alltagsbezug: Finde eine Situation aus Messen, Bauen, Flächenberechnung oder Kopfrechnen, in der eine binomische Formel hilfreich sein kann, und löse sie.




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  1. Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist
  2. Heimsuchung - Jenny Erpenbeck

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