Aufgabenbeispiele von Extrempunkte

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

Beispiel:

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

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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Da g(x) = 2⋅ f(x) gilt, geht der (rote) Graph von g durch Streckung um 2 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 2 multipliziert.

Somit besitzt der Graph von g einen Hochpunkt H(1|4).

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

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

Verschiebung/Streckung Extrempunkte

Beispiel:

Der Graph einer Funktion f besitzt einen Hochpunkt H(4|3). Für die Funktion g gilt : g(x) = f(x +3)

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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Da g(x) = f(x +3) gilt, geht der (rote) Graph von g durch Verschiebung um -3 in x-Richtung - also um 3 nach links - aus dem (schwarzen) Graph von f hervor.

Der Hochpunkt H bleibt also ein Hochpunkt H, der x-Wert wird jedoch um 3 nach links verschoben.

Somit besitzt der Graph von g einen Hochpunkt H(1|3).

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

Der schwarz gezeichnete Graph ist der Originalgraph von f(x)= - ( x -4 ) 2 +3 , der rot gezeichneten Graph gehört zu g(x) = f(x +3) = - ( x -1 ) 2 +3 .

Versch./Streck. Extrempkt (2-fach)

Beispiel:

Der Graph einer Funktion f besitzt einen Hochpunkt H(0|2). Für die Funktion g gilt : g(x) = f(x +3) -4

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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

Da g(x) = f(x +3) -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 Hochpunkt H bleibt also ein Hochpunkt H, der y-Wert wird jedoch um 4 nach unten verschoben.

Somit besitzt der Graph von g einen Hochpunkt H(-3|-2).

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 +8x -2 :

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f(x)= x 2 +8x -2

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= 2x +8 +0

= 2x +8

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 +8 = 0 | -8
2x = -8 |:2
x = -4

Die Lösung x= -4 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''(-4 ) = 2 = 2 = 2 >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 ) 2 +8( -4 ) -2 = -18
Man erhält so den Tiefpunkt T:(-4 | -18 )

Extrempunkte (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Koordinaten aller Extrempunkte des Graphen von f mit f(x)= - x 2 -4x +1 :

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f(x)= - x 2 -4x +1

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 Hochpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
f(-2 ) = - ( -2 ) 2 -4( -2 ) +1 = 5
Man erhält so den Hochpunkt H:(-2 | 5 )

Extrempunkte (auch mit VZW)

Beispiel:

Berechne die Koordinaten aller Extrempunkte des Graphen von f mit f(x)= 3 x 4 -28 x 3 +72 x 2 +1 :

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f(x)= 3 x 4 -28 x 3 +72 x 2 +1

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= 12 x 3 -84 x 2 +144x +0

= 12 x 3 -84 x 2 +144x

f''(x)= 36 x 2 -168x +144

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.

12 x 3 -84 x 2 +144x = 0
12 x ( x 2 -7x +12 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

x 2 -7x +12 = 0

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

x2,3 = +7 ± ( -7 ) 2 -4 · 1 · 12 21

x2,3 = +7 ± 49 -48 2

x2,3 = +7 ± 1 2

x2 = 7 + 1 2 = 7 +1 2 = 8 2 = 4

x3 = 7 - 1 2 = 7 -1 2 = 6 2 = 3

Die Lösungen 0, 3 , 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 ) = 36 0 2 -1680 +144 = 360 +0 +144 = 144 >0

Das heißt bei x = 0 ist ein Tiefpunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
f(0 ) = 3 0 4 -28 0 3 +72 0 2 +1 = 1
Man erhält so den Tiefpunkt T:(0 | 1 )


2.: x=3

f''(3 ) = 36 3 2 -1683 +144 = 369 -504 +144 = -36 <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 ) = 3 3 4 -28 3 3 +72 3 2 +1 = 136
Man erhält so den Hochpunkt H:(3 | 136 )


3.: x=4

f''(4 ) = 36 4 2 -1684 +144 = 3616 -672 +144 = 48 >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 ) = 3 4 4 -28 4 3 +72 4 2 +1 = 129
Man erhält so den Tiefpunkt T:(4 | 129 )

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.