Aufgabenbeispiele von Extrempunkte

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

Beispiel:

Der Graph einer Funktion f besitzt einen Hochpunkt H(0|2). 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 Streckung um 3 in y-Richtung aus dem (schwarzen) Graph von f hervor.

Der Hochpunkt H bleibt also ein Hochpunkt H, der y-Wert wird jedoch mit dem Faktor 3 multipliziert.

Somit besitzt der Graph von g einen Hochpunkt H(0|6).

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) = 3⋅ f(x) = 3( - x 2 +2 ) .

Verschiebung/Streckung Extrempunkte

Beispiel:

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

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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Da g(x) = f( 1 3 ⋅ x) gilt, geht der (rote) Graph von g durch Streckung um 3 in x-Richtung aus dem (schwarzen) Graph von f hervor. Das heißt auf jeder Höhe ist der Abstand zur y-Achse vom gestreckten (roten) Graph 3 mal so groß ist wie vom ursprünglichen (schwarzen) Graph

Der Tiefpunkt T bleibt also ein Tiefpunkt T, der x-Wert wird jedoch mit dem Faktor 3 multipliziert, weil ja bei x = 1 der kleinste Wert bei f(x) auftritt, bei f( 1 3 ⋅x) muss somit für x = 3 , also bei f( 1 3 3) der kleinste Wert auftreten.

Somit besitzt der Graph von g einen Tiefpunkt T(3|-1).

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

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

Versch./Streck. Extrempkt (2-fach)

Beispiel:

Der Graph einer Funktion f besitzt einen Hochpunkt H(3|3). 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 +4) geht durch Verschiebung um -4 in x-Richtung - also um 4 nach links - aus dem (schwarzen) Graph von f hervor. Der (blaue) Graph von f(x +4) hat dann seinen Hochpunkt H bei x = -1.

Da g(x) = - f(x +4) gilt, geht dann der (rote) Graph von g durch Spiegelung an der x-Achse aus dem (blauen) Graph von f hervor.

Der Hochpunkt H wird also zu einem Tiefpunkt T, der y-Wert wird dabei auf die andere Seite der x-Achse gespiegelt.

Somit besitzt der Graph von g einen Tiefpunkt T(-1|-3).

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 3 -6 x 2 +2 :

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f(x)= x 3 -6 x 2 +2

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= 3 x 2 -12x +0

= 3 x 2 -12x

f''(x)= 6x -12

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 -12x = 0
3 x ( x -4 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x -4 = 0 | +4
x2 = 4

Die Lösungen 0, 4 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 ) = 60 -12 = 0 -12 = -12 <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 ) = 0 3 -6 0 2 +2 = 2
Man erhält so den Hochpunkt H:(0 | 2 )


2.: x=4

f''(4 ) = 64 -12 = 24 -12 = 12 >0

Das heißt bei x = 4 ist ein Tiefpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
f(4 ) = 4 3 -6 4 2 +2 = -30
Man erhält so den Tiefpunkt T:(4 | -30 )

Extrempunkte (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Koordinaten aller Extrempunkte des Graphen von f mit f(x)= 2 x 3 -9 x 2 -60x -2 :

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f(x)= 2 x 3 -9 x 2 -60x -2

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= 6 x 2 -18x -60 +0

= 6 x 2 -18x -60

f''(x)= 12x -18 +0

= 12x -18

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.

6 x 2 -18x -60 = 0 |:6

x 2 -3x -10 = 0

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

x1,2 = +3 ± ( -3 ) 2 -4 · 1 · ( -10 ) 21

x1,2 = +3 ± 9 +40 2

x1,2 = +3 ± 49 2

x1 = 3 + 49 2 = 3 +7 2 = 10 2 = 5

x2 = 3 - 49 2 = 3 -7 2 = -4 2 = -2

Die Lösungen -2 , 5 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=-2

f''(-2 ) = 12( -2 ) -18 = -24 -18 = -42 <0

Das heißt bei x = -2 ist ein Hochpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
f(-2 ) = 2 ( -2 ) 3 -9 ( -2 ) 2 -60( -2 ) -2 = 66
Man erhält so den Hochpunkt H:(-2 | 66 )


2.: x=5

f''(5 ) = 125 -18 = 60 -18 = 42 >0

Das heißt bei x = 5 ist ein Tiefpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
f(5 ) = 2 5 3 -9 5 2 -605 -2 = -277
Man erhält so den Tiefpunkt T:(5 | -277 )

Extrempunkte (auch mit VZW)

Beispiel:

Berechne die Koordinaten aller Extrempunkte des Graphen von f mit f(x)= 2 x 3 +15 x 2 +36x +3 :

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f(x)= 2 x 3 +15 x 2 +36x +3

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= 6 x 2 +30x +36 +0

= 6 x 2 +30x +36

f''(x)= 12x +30 +0

= 12x +30

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.

6 x 2 +30x +36 = 0 |:6

x 2 +5x +6 = 0

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

x1,2 = -5 ± 5 2 -4 · 1 · 6 21

x1,2 = -5 ± 25 -24 2

x1,2 = -5 ± 1 2

x1 = -5 + 1 2 = -5 +1 2 = -4 2 = -2

x2 = -5 - 1 2 = -5 -1 2 = -6 2 = -3

Die Lösungen -3 , -2 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=-3

f''(-3 ) = 12( -3 ) +30 = -36 +30 = -6 <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 ) = 2 ( -3 ) 3 +15 ( -3 ) 2 +36( -3 ) +3 = -24
Man erhält so den Hochpunkt H:(-3 | -24 )


2.: x=-2

f''(-2 ) = 12( -2 ) +30 = -24 +30 = 6 >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 ) 3 +15 ( -2 ) 2 +36( -2 ) +3 = -25
Man erhält so den Tiefpunkt T:(-2 | -25 )

Beispielterm für Extrempunktkriterien

Beispiel:

Gib einen Term einer Funktion an, deren Graph einen Tiefpunkt T(-3|-3) 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 -3 in x-Richtung verschieben, so ändert sich ja nichts an der Form des Graphen (sondern nur an dessen Lage). ( x +3 ) 2 hat also an der Stelle x = -3 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 +3 ) 2 -3 einen Tiefpunkt T(-3|-3), der sich mit Hilfe der 2. Ableitung nachweisen lässt.