Aufgabenbeispiele von Extrempunkte

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Versch./Streck. Extrempkt (ohne x-Streckung)

Beispiel:

Der Graph einer Funktion f besitzt einen Tiefpunkt T(0|-2). Für die Funktion g gilt : g(x) = f(x -1)

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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Da g(x) = f(x -1) gilt, geht der (rote) Graph von g durch Verschiebung um 1 in x-Richtung - also um 1 nach rechts - aus dem (schwarzen) Graph von f hervor.

Der Tiefpunkt T bleibt also ein Tiefpunkt T, der x-Wert wird jedoch um 1 nach rechts verschoben.

Somit besitzt der Graph von g einen Tiefpunkt T(1|-2).

Der abgebildete Graph ist natürlich nur einer von unendlich vielen möglichen.

Der schwarz gezeichnete Graph ist der Originalgraph von f(x)= x 2 -2 , der rot gezeichneten Graph gehört zu g(x) = f(x -1) = ( x -1 ) 2 -2 .

Verschiebung/Streckung Extrempunkte

Beispiel:

Der Graph einer Funktion f besitzt einen Hochpunkt H(3|1). Für die Funktion g gilt : g(x) = -3⋅ f(x)

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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Da g(x) = -3⋅ f(x) gilt, geht der (rote) Graph von g durch Spiegelung an der x-Achse und Streckung um 3 in y-Richtung aus dem (schwarzen) Graph von f hervor.

Der Hochpunkt H wird also zu einem Tiefpunkt T, der y-Wert wird dabei mit dem Faktor -3 multipliziert.

Somit besitzt der Graph von g einen Tiefpunkt T(3|-3).

Der abgebildete Graph ist natürlich nur einer von unendlich vielen möglichen.

Der schwarz gezeichnete Graph ist der Originalgraph von f(x)= - ( x -3 ) 2 +1 , der rot gezeichneten Graph gehört zu g(x) = -3⋅ f(x) = -3( - ( x -3 ) 2 +1 ) .

Versch./Streck. Extrempkt (2-fach)

Beispiel:

Der Graph einer Funktion f besitzt einen Tiefpunkt T(2|0). Für die Funktion g gilt : g(x) = f(-x) -4

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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Der (blaue) Graph von f(-x) geht durch Spiegelung an der y-Achse aus dem (schwarzen) Graph von f hervor. Der (blaue) Graph von f(-x) hat dann seinen Tiefpunkt T bei x = -2.

Da g(x) = f(-x) -4 gilt, geht dann der (rote) Graph von g durch Verschiebung um -4 in y-Richtung - also um 4 nach unten - aus dem (blauen) Graph von f hervor.

Der Tiefpunkt T bleibt also ein Tiefpunkt T, der y-Wert wird jedoch um 4 nach unten verschoben.

Somit besitzt der Graph von g einen Tiefpunkt T(-2|-4).

Der abgebildete Graph ist natürlich nur einer von unendlich vielen möglichen.

Extrempunkte (ohne MNF)

Beispiel:

Berechne die Koordinaten aller Extrempunkte des Graphen von f mit f(x)= x 2 -4x +4 :

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f(x)= x 2 -4x +4

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= 2x -4 +0

= 2x -4

f''(x)= 2 +0

= 2

Die notwendige Bedingung für einen Extrempunkt ist f'(x)=0.

(Alle Extrempunkte haben die Steigung 0).

Man setzt nun also f'(x) gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Extrempunkte von f zu bestimmen.

2x -4 = 0 | +4
2x = 4 |:2
x = 2

Die Lösung x= 2 ist nun der einzige Kandidat für eine Extremstelle.

Die einfachste Möglichkeit, um diese Kandidaten zu überprüfen, ist das Einsetzen dieser x-Werte in f''(x):

Ist f''(x) < 0, so handelt es sich um einen Hochpunkt (hinreichende Bedingung: f'(x0)=0 und f''(x0)<0).
Ist sie größer 0 handelt es sich um einen Tiefpunkt (hinreichende Bedingung: f'(x0)=0 und f'(x0)>0).

f''(2 ) = 2 = 2 = 2 >0

Das heißt bei x = 2 ist ein Tiefpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
f(2 ) = 2 2 -42 +4 = 0
Man erhält so den Tiefpunkt T:(2 |0)

Extrempunkte (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Koordinaten aller Extrempunkte des Graphen von f mit f(x)= x 3 -3 x 2 -9x +1 :

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f(x)= x 3 -3 x 2 -9x +1

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= 3 x 2 -6x -9 +0

= 3 x 2 -6x -9

f''(x)= 6x -6 +0

= 6x -6

Die notwendige Bedingung für einen Extrempunkt ist f'(x)=0.

(Alle Extrempunkte haben die Steigung 0).

Man setzt nun also f'(x) gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Extrempunkte von f zu bestimmen.

3 x 2 -6x -9 = 0 |:3

x 2 -2x -3 = 0

eingesetzt in die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel):

x1,2 = +2 ± ( -2 ) 2 -4 · 1 · ( -3 ) 21

x1,2 = +2 ± 4 +12 2

x1,2 = +2 ± 16 2

x1 = 2 + 16 2 = 2 +4 2 = 6 2 = 3

x2 = 2 - 16 2 = 2 -4 2 = -2 2 = -1

Die Lösungen -1 , 3 sind nun die einzigen Kandidaten für Extremstellen.

Die einfachste Möglichkeit, um diese Kandidaten zu überprüfen, ist das Einsetzen dieser x-Werte in f''(x):

Ist f''(x) < 0, so handelt es sich um einen Hochpunkt (hinreichende Bedingung: f'(x0)=0 und f''(x0)<0).
Ist sie größer 0 handelt es sich um einen Tiefpunkt (hinreichende Bedingung: f'(x0)=0 und f'(x0)>0).


1.: x=-1

f''(-1 ) = 6( -1 ) -6 = -6 -6 = -12 <0

Das heißt bei x = -1 ist ein Hochpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
f(-1 ) = ( -1 ) 3 -3 ( -1 ) 2 -9( -1 ) +1 = 6
Man erhält so den Hochpunkt H:(-1 | 6 )


2.: x=3

f''(3 ) = 63 -6 = 18 -6 = 12 >0

Das heißt bei x = 3 ist ein Tiefpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
f(3 ) = 3 3 -3 3 2 -93 +1 = -26
Man erhält so den Tiefpunkt T:(3 | -26 )

Extrempunkte (auch mit VZW)

Beispiel:

Berechne die Koordinaten aller Extrempunkte des Graphen von f mit f(x)= -6 x 4 +32 x 3 -36 x 2 :

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f(x)= -6 x 4 +32 x 3 -36 x 2

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= -24 x 3 +96 x 2 -72x

f''(x)= -72 x 2 +192x -72

Die notwendige Bedingung für einen Extrempunkt ist f'(x)=0.

(Alle Extrempunkte haben die Steigung 0).

Man setzt nun also f'(x) gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Extrempunkte von f zu bestimmen.

-24 x 3 +96 x 2 -72x = 0
24 x ( - x 2 +4x -3 ) = 0

Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

- x 2 +4x -3 = 0

eingesetzt in die Mitternachtsformel (a-b-c-Formel):

x2,3 = -4 ± 4 2 -4 · ( -1 ) · ( -3 ) 2( -1 )

x2,3 = -4 ± 16 -12 -2

x2,3 = -4 ± 4 -2

x2 = -4 + 4 -2 = -4 +2 -2 = -2 -2 = 1

x3 = -4 - 4 -2 = -4 -2 -2 = -6 -2 = 3

Die Lösungen 0, 1 , 3 sind nun die einzigen Kandidaten für Extremstellen.

Die einfachste Möglichkeit, um diese Kandidaten zu überprüfen, ist das Einsetzen dieser x-Werte in f''(x):

Ist f''(x) < 0, so handelt es sich um einen Hochpunkt (hinreichende Bedingung: f'(x0)=0 und f''(x0)<0).
Ist sie größer 0 handelt es sich um einen Tiefpunkt (hinreichende Bedingung: f'(x0)=0 und f'(x0)>0).


1.: x=0

f''(0 ) = -72 0 2 +1920 -72 = -720 +0 -72 = -72 <0

Das heißt bei x = 0 ist ein Hochpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
f(0 ) = -6 0 4 +32 0 3 -36 0 2 = 0
Man erhält so den Hochpunkt H:(0 |0)


2.: x=1

f''(1 ) = -72 1 2 +1921 -72 = -721 +192 -72 = 48 >0

Das heißt bei x = 1 ist ein Tiefpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
f(1 ) = -6 1 4 +32 1 3 -36 1 2 = -10
Man erhält so den Tiefpunkt T:(1 | -10 )


3.: x=3

f''(3 ) = -72 3 2 +1923 -72 = -729 +576 -72 = -144 <0

Das heißt bei x = 3 ist ein Hochpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
f(3 ) = -6 3 4 +32 3 3 -36 3 2 = 54
Man erhält so den Hochpunkt H:(3 | 54 )

Beispielterm für Extrempunktkriterien

Beispiel:

Gib einen Term einer Funktion an, deren Graph einen Tiefpunkt T(-2|-1) besitzt, der sich mit Hilfe der 2. Ableitung nachweisen lässt.

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Wesentlich einfacher wäre es ja ein Funktions-Beispiel mit einen Tiefpunkt T(0|0) im Ursprung zu finden, der sich mit Hilfe der 2. Ableitung nachweisen lässt.

Die einfachste Möglichkeit für einen Tiefpunkt T(0|0) ist wohl der Funktionsterm f1(x)= x 2

Hier gilt dann
f1'(x)= 2x , f1''(x)= 2 , und somit f1''(0) = 2 > 0.

Somit hat der Graph der Funktion x 2 einen Tiefpunkt T(0|0), der sich mit Hilfe der 2. Ableitung nachweisen lässt (siehe schwarzer Graph in der nebenstehenden Abblidung).

Wenn wir nun den Graph um -2 in x-Richtung verschieben, so ändert sich ja nichts an der Form des Graphen (sondern nur an dessen Lage). ( x +2 ) 2 hat also an der Stelle x = -2 genau die gleichen Ableitungswerte wie x 2 an der Stelle x = 0.

Auch bei Verschiebung in y-Richtung ändert sich ja nichts an der Form oder den Ableitungswerten.

Somit hat der Graph von f(x)= ( x +2 ) 2 -1 einen Tiefpunkt T(-2|-1), der sich mit Hilfe der 2. Ableitung nachweisen lässt.