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) = f(x) -2

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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Da g(x) = f(x) -2 gilt, geht der (rote) Graph von g durch Verschiebung um -2 in y-Richtung - also um 2 nach unten - aus dem (schwarzen) Graph von f hervor.

Der Hochpunkt H bleibt also ein Hochpunkt H, der y-Wert wird jedoch um 2 nach unten verschoben.

Somit besitzt der Graph von g einen Hochpunkt H(1|0).

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) = f(x) -2 = - ( x -1 ) 2 .

Verschiebung/Streckung Extrempunkte

Beispiel:

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

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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Da g(x) = f(x +4) gilt, geht der (rote) Graph von g durch Verschiebung um -4 in x-Richtung - also um 4 nach links - aus dem (schwarzen) Graph von f hervor.

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

Somit besitzt der Graph von g einen Tiefpunkt T(-2|-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 -2 , der rot gezeichneten Graph gehört zu g(x) = f(x +4) = ( x +2 ) 2 -2 .

Versch./Streck. Extrempkt (2-fach)

Beispiel:

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

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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Der (blaue) Graph von f(2 ⋅ x) geht durch Streckung um 1 2 in x-Richtung aus dem (schwarzen) Graph von f hervor. Der (blaue) Graph von f(2 ⋅ x) hat dann seinen Hochpunkt H bei x = 1.

Da g(x) = - f(2 ⋅ x) 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 2 +8x +1 :

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f(x)= x 2 +8x +1

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 ) +1 = -15
Man erhält so den Tiefpunkt T:(-4 | -15 )

Extrempunkte (ganzrational)

Beispiel:

Berechne die Koordinaten aller Extrempunkte des Graphen von f mit f(x)= -2 x 3 +21 x 2 -72x +3 :

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f(x)= -2 x 3 +21 x 2 -72x +3

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= -6 x 2 +42x -72 +0

= -6 x 2 +42x -72

f''(x)= -12x +42 +0

= -12x +42

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 +42x -72 = 0 |:6

- x 2 +7x -12 = 0

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

x1,2 = -7 ± 7 2 -4 · ( -1 ) · ( -12 ) 2( -1 )

x1,2 = -7 ± 49 -48 -2

x1,2 = -7 ± 1 -2

x1 = -7 + 1 -2 = -7 +1 -2 = -6 -2 = 3

x2 = -7 - 1 -2 = -7 -1 -2 = -8 -2 = 4

Die Lösungen 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=3

f''(3 ) = -123 +42 = -36 +42 = 6 >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 +21 3 2 -723 +3 = -78
Man erhält so den Tiefpunkt T:(3 | -78 )


2.: x=4

f''(4 ) = -124 +42 = -48 +42 = -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 ) = -2 4 3 +21 4 2 -724 +3 = -77
Man erhält so den Hochpunkt H:(4 | -77 )

Extrempunkte (auch mit VZW)

Beispiel:

Berechne die Koordinaten aller Extrempunkte des Graphen von f mit f(x)= x 3 +9 x 2 +15x :

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f(x)= x 3 +9 x 2 +15x

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= 3 x 2 +18x +15

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 +15 = 0 |:3

x 2 +6x +5 = 0

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

x1,2 = -6 ± 6 2 -4 · 1 · 5 21

x1,2 = -6 ± 36 -20 2

x1,2 = -6 ± 16 2

x1 = -6 + 16 2 = -6 +4 2 = -2 2 = -1

x2 = -6 - 16 2 = -6 -4 2 = -10 2 = -5

Die Lösungen -5 , -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=-5

f''(-5 ) = 6( -5 ) +18 = -30 +18 = -12 <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 ) 3 +9 ( -5 ) 2 +15( -5 ) = 25
Man erhält so den Hochpunkt H:(-5 | 25 )


2.: x=-1

f''(-1 ) = 6( -1 ) +18 = -6 +18 = 12 >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 +9 ( -1 ) 2 +15( -1 ) = -7
Man erhält so den Tiefpunkt T:(-1 | -7 )

Beispielterm für Extrempunktkriterien

Beispiel:

Gib einen Term einer Funktion an, deren Graph einen Sattelpunkt S(1|2) besitzt, der sich mit Hilfe der 3. Ableitung nachweisen lässt.

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Wesentlich einfacher wäre es ja ein Funktions-Beispiel mit einen Sattelpunkt S(0|0) im Ursprung zu finden, der sich mit Hilfe der 3. Ableitung nachweisen lässt.

Die einfachste Möglichkeit für einen Sattelpunkt S(0|0) ist wohl der Funktionsterm f1(x)= x 3

Hier gilt dann
f1'(x)= 3 x 2 , f1''(x)= 6x , f1'''(x)= 6 , und somit f1'''(0) = 6 ≠ 0.

Somit hat der Graph der Funktion x 3 einen Sattelpunkt S(0|0), der sich mit Hilfe der 3. 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 ) 3 hat also an der Stelle x = 1 genau die gleichen Ableitungswerte wie x 3 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 ) 3 +2 einen Sattelpunkt S(1|2), der sich mit Hilfe der 3. Ableitung nachweisen lässt.