Aufgabenbeispiele von Extrempunkte

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

Beispiel:

Der Graph einer Funktion f besitzt einen Hochpunkt H(3|3). 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 links - aus dem (schwarzen) Graph von f hervor.

Der Hochpunkt H bleibt also ein Hochpunkt H, der x-Wert wird jedoch um 1 nach links verschoben.

Somit besitzt der Graph von g einen Hochpunkt H(2|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 +3 , der rot gezeichneten Graph gehört zu g(x) = f(x +1) = - ( x -2 ) 2 +3 .

Verschiebung/Streckung Extrempunkte

Beispiel:

Der Graph einer Funktion f besitzt einen Tiefpunkt T(-5|-1). Für die Funktion g gilt : g(x) = f(-x)

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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Da g(x) = f(-x) gilt, geht der (rote) Graph von g durch Spiegelung an der y-Achse aus dem (schwarzen) Graph von f hervor.

Der Tiefpunkt T bleibt also ein Tiefpunkt T, der x-Wert wird jedoch auf die andere Seite der y-Achse gespiegelt, weil ja bei x = -5 der kleinste Wert bei f(x) auftritt, bei f(-x) muss somit für x = -( - 5 ), also bei f(5) der kleinste Wert auftreten.

Somit besitzt der Graph von g einen Tiefpunkt T(5|-1).

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

Der schwarz gezeichnete Graph ist der Originalgraph von f(x)= ( x +5 ) 2 -1 , der rot gezeichneten Graph gehört zu g(x) = f(-x) = ( x -5 ) 2 -1 .

Versch./Streck. Extrempkt (2-fach)

Beispiel:

Der Graph einer Funktion f besitzt einen Tiefpunkt T(-3|0). Für die Funktion g gilt : g(x) = f(x -1) +1

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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Der (blaue) Graph von f(x -1) geht durch Verschiebung um 1 in x-Richtung - also um 1 nach rechts - aus dem (schwarzen) Graph von f hervor. Der (blaue) Graph von f(x -1) hat dann seinen Tiefpunkt T bei x = -2.

Da g(x) = f(x -1) +1 gilt, geht dann der (rote) Graph von g durch Verschiebung um 1 in y-Richtung - also um 1 nach oben - aus dem (blauen) Graph von f hervor.

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

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

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)= 2 x 3 -9 x 2 -2 :

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

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

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

= 6 x 2 -18x

f''(x)= 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 = 0
6 x ( x -3 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x -3 = 0 | +3
x2 = 3

Die Lösungen 0, 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 ) = 12⋅0 -18 = 0 -18 = -18 <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 ) = 2⋅ 0 3 -9⋅ 0 2 -2 = -2
Man erhält so den Hochpunkt H:(0 | -2 )


2.: x=3

f''(3 ) = 12⋅3 -18 = 36 -18 = 18 >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 ) = 2⋅ 3 3 -9⋅ 3 2 -2 = -29
Man erhält so den Tiefpunkt T:(3 | -29 )

Extrempunkte (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Koordinaten aller Extrempunkte des Graphen von f mit f(x)= - x 3 +9 x 2 -24x -3 :

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f(x)= - x 3 +9 x 2 -24x -3

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= -3 x 2 +18x -24 +0

= -3 x 2 +18x -24

f''(x)= -6x +18 +0

= -6x +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.

-3 x 2 +18x -24 = 0 |:3

- x 2 +6x -8 = 0

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

x1,2 = -6 ± 6 2 -4 · ( -1 ) · ( -8 ) 2⋅( -1 )

x1,2 = -6 ± 36 -32 -2

x1,2 = -6 ± 4 -2

x1 = -6 + 4 -2 = -6 +2 -2 = -4 -2 = 2

x2 = -6 - 4 -2 = -6 -2 -2 = -8 -2 = 4

Die Lösungen 2 , 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=2

f''(2 ) = -6⋅2 +18 = -12 +18 = 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 3 +9⋅ 2 2 -24⋅2 -3 = -23
Man erhält so den Tiefpunkt T:(2 | -23 )


2.: x=4

f''(4 ) = -6⋅4 +18 = -24 +18 = -6 <0

Das heißt bei x = 4 ist ein Hochpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
f(4 ) = - 4 3 +9⋅ 4 2 -24⋅4 -3 = -19
Man erhält so den Hochpunkt H:(4 | -19 )

Extrempunkte (auch mit VZW)

Beispiel:

Berechne die Koordinaten aller Extrempunkte des Graphen von f mit f(x)= - x 3 +3 x 2 +24x +3 :

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f(x)= - x 3 +3 x 2 +24x +3

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= -3 x 2 +6x +24 +0

= -3 x 2 +6x +24

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 +24 = 0 |:3

- x 2 +2x +8 = 0

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

x1,2 = -2 ± 2 2 -4 · ( -1 ) · 8 2⋅( -1 )

x1,2 = -2 ± 4 +32 -2

x1,2 = -2 ± 36 -2

x1 = -2 + 36 -2 = -2 +6 -2 = 4 -2 = -2

x2 = -2 - 36 -2 = -2 -6 -2 = -8 -2 = 4

Die Lösungen -2 , 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=-2

f''(-2 ) = -6⋅( -2 ) +6 = 12 +6 = 18 >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 ) 3 +3⋅ ( -2 ) 2 +24⋅( -2 ) +3 = -25
Man erhält so den Tiefpunkt T:(-2 | -25 )


2.: x=4

f''(4 ) = -6⋅4 +6 = -24 +6 = -18 <0

Das heißt bei x = 4 ist ein Hochpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
f(4 ) = - 4 3 +3⋅ 4 2 +24⋅4 +3 = 83
Man erhält so den Hochpunkt H:(4 | 83 )

Beispielterm für Extrempunktkriterien

Beispiel:

Gib einen Term einer Funktion an, deren Graph einen Hochpunkt H(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 Hochpunkt H(0|0) im Ursprung zu finden, der sich mit Hilfe der 2. Ableitung nachweisen lässt.

Die einfachste Möglichkeit für einen Hochpunkt H(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 Hochpunkt H(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 Hochpunkt H(3|3), der sich mit Hilfe der 2. Ableitung nachweisen lässt.