Aufgabenbeispiele von Extrempunkte

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

Beispiel:

Der Graph einer Funktion f besitzt einen Tiefpunkt T(0|-6). Für die Funktion g gilt : g(x) = - 1 2 ⋅ f(x)

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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Da g(x) = - 1 2 ⋅ f(x) gilt, geht der (rote) Graph von g durch Spiegelung an der x-Achse und Streckung um 0.5 in y-Richtung aus dem (schwarzen) Graph von f hervor.

Der Tiefpunkt T wird also zu einem Hochpunkt H, der y-Wert wird dabei mit dem Faktor - 1 2 multipliziert.

Somit besitzt der Graph von g einen Hochpunkt H(0|3).

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

Der schwarz gezeichnete Graph ist der Originalgraph von f(x)= x 2 -6 , der rot gezeichneten Graph gehört zu g(x) = - 1 2 ⋅ f(x) = - 1 2 ( x 2 -6 ) .

Verschiebung/Streckung Extrempunkte

Beispiel:

Der Graph einer Funktion f besitzt einen Hochpunkt H(1|1). Für die Funktion g gilt : g(x) = f( 1 2 ⋅ x)

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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Da g(x) = f( 1 2 ⋅ x) gilt, geht der (rote) Graph von g durch Streckung um 2 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 2 mal so groß ist wie vom ursprünglichen (schwarzen) Graph

Der Hochpunkt H bleibt also ein Hochpunkt H, der x-Wert wird jedoch mit dem Faktor 2 multipliziert, weil ja bei x = 1 der größte Wert bei f(x) auftritt, bei f( 1 2 ⋅x) muss somit für x = 2 , also bei f( 1 2 2) der größte Wert auftreten.

Somit besitzt der Graph von g einen Hochpunkt H(2|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 2 ⋅ x) = - ( 1 2 x -1 ) 2 +1 .

Versch./Streck. Extrempkt (2-fach)

Beispiel:

Der Graph einer Funktion f besitzt einen Tiefpunkt T(0|-1). Für die Funktion g gilt : g(x) = -3⋅ 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 Tiefpunkt T bei x = -4.

Da g(x) = -3⋅ f(x +4) gilt, geht dann der (rote) Graph von g durch Spiegelung an der x-Achse und Streckung um 3 in y-Richtung aus dem (blauen) Graph von f hervor.

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

Somit besitzt der Graph von g einen Hochpunkt H(-4|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 2 -4x -3 :

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f(x)= x 2 -4x -3

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 -3 = -7
Man erhält so den Tiefpunkt T:(2 | -7 )

Extrempunkte (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Koordinaten aller Extrempunkte des Graphen von f mit f(x)= - x 2 -10x -2 :

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f(x)= - x 2 -10x -2

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= -2x -10 +0

= -2x -10

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 -10 = 0 | +10
-2x = 10 |:(-2 )
x = -5

Die Lösung x= -5 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''(-5 ) = -2 = -2 = -2 <0

Das heißt bei x = -5 ist ein Hochpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
f(-5 ) = - ( -5 ) 2 -10( -5 ) -2 = 23
Man erhält so den Hochpunkt H:(-5 | 23 )

Extrempunkte (auch mit VZW)

Beispiel:

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

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

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

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

= -3 x 2 +3

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

= -6x

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 +3 = 0 | -3
-3 x 2 = -3 |: ( -3 )
x 2 = 1 | 2
x1 = - 1 = -1
x2 = 1 = 1

Die Lösungen -1 , 1 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 >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 ) = - ( -1 ) 3 +3( -1 ) -2 = -4
Man erhält so den Tiefpunkt T:(-1 | -4 )


2.: x=1

f''(1 ) = -61 = -6 = -6 <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 +31 -2 = 0
Man erhält so den Hochpunkt H:(1 |0)

Beispielterm für Extrempunktkriterien

Beispiel:

Gib einen Term einer Funktion an, deren Graph einen Hochpunkt H(1|-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 1 in x-Richtung verschieben, so ändert sich ja nichts an der Form des Graphen (sondern nur an dessen Lage). - ( x -1 ) 2 hat also an der Stelle x = 1 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 -1 ) 2 -3 einen Hochpunkt H(1|-3), der sich mit Hilfe der 2. Ableitung nachweisen lässt.