Aufgabenbeispiele von Extrempunkte

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

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 rechts - aus dem (schwarzen) Graph von f hervor.

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

Verschiebung/Streckung Extrempunkte

Beispiel:

Der Graph einer Funktion f besitzt einen Tiefpunkt T(-1|0). 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|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 , der rot gezeichneten Graph gehört zu g(x) = f( 1 3 ⋅ x) = ( 1 3 x +1 ) 2 .

Versch./Streck. Extrempkt (2-fach)

Beispiel:

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

Gib einen Extrempunkt des Graphen von g an.

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Der (blaue) Graph von f(-x) geht durch Spiegelung an der y-Achse aus dem (schwarzen) Graph von f hervor. Der (blaue) Graph von f(-x) hat dann seinen Hochpunkt H bei x = -4.

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

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

Somit besitzt der Graph von g einen Tiefpunkt T(-4|-4).

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 -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 Tiefpunkt.
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 Tiefpunkt T:(-2 | -5 )

Extrempunkte (ganzrational)

Beispiel:

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

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f(x)= - x 2 -4x

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= -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 ) = 4
Man erhält so den Hochpunkt H:(-2 | 4 )

Extrempunkte (auch mit VZW)

Beispiel:

Berechne die Koordinaten aller Extrempunkte des Graphen von f mit f(x)= -2 x 3 +9 x 2 -12x +1 :

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f(x)= -2 x 3 +9 x 2 -12x +1

Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

=>f'(x)= -6 x 2 +18x -12 +0

= -6 x 2 +18x -12

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 -12 = 0 |:6

- x 2 +3x -2 = 0

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

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

x1,2 = -3 ± 9 -8 -2

x1,2 = -3 ± 1 -2

x1 = -3 + 1 -2 = -3 +1 -2 = -2 -2 = 1

x2 = -3 - 1 -2 = -3 -1 -2 = -4 -2 = 2

Die Lösungen 1 , 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=1

f''(1 ) = -121 +18 = -12 +18 = 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 ) = -2 1 3 +9 1 2 -121 +1 = -4
Man erhält so den Tiefpunkt T:(1 | -4 )


2.: x=2

f''(2 ) = -122 +18 = -24 +18 = -6 <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 -122 +1 = -3
Man erhält so den Hochpunkt H:(2 | -3 )

Beispielterm für Extrempunktkriterien

Beispiel:

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