Kurvendiskussionen: Unterschied zwischen den Versionen

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(→‎Hinreichende Bedingung für ein relatives Extremum)
(→‎Hinreichende Bedingung für ein relatives Extremum)
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| dann muss hier '''nicht unbedingt kein Extremum''' sein.  
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Der letzte Punkt ($f'(x_0)=0$ ABER $f''(x_0)=0$ wird klar, wenn man sich die Funktion $f(x)=x^3$ ansieht:
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$f(x)=x^3$
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Beispiel für $f''(x)=0$, aber kein Extremum:
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|$f'(x)=3x^2$
 
|$f'(x)=3x^2$
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$0=3x^2 \rightarrow x_1=0$  
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$0=3x^2$
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$\rightarrow x=0$  
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$f''(x)=6x$
 
$f''(x)=6x$
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$f''(0)=0$
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Somit ist $f'(0)=0$ und $f''(0)=0$! Wie man aber leicht am Graphen erkennt, ist bei $x_1=0$ kein Extremum (weder Hoch- noch Tiefpunkt)!
 
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Version vom 9. Februar 2014, 13:57 Uhr

Überblick und Einleitung

Beim Thema Kurvendiskussionen geht es darum, Eigenschaften von Funktionen (bzw. Kurven) zu ermitteln. Für die Matura sind die folgenden Eigenschaften wichtig:

  • Nullstellen
  • Extremwerte
  • Krümmungsverhalten und Wendepunkte




Grundwissen über f(x), f'(x) und f''(x)

Die folgende Tabelle gibt dir an, was mit der Funktion f(x), ihrer 1. Ableitung und ihrer 2. Ableitung berechnet werden kann..

$f(x)$ $f'(x)$ $f''(x)$
Gibt an ... den Funktionswert an der Stelle x die Steigung von f an der Stelle x die Krümmung von f an der Stelle x (=Steigung der Steigung)
physikalische Interpretation Entfernung vom Ursprung in einem Zeit-Weg-Diagramm

oder Höhe eines Objektes etc.

momentane Änderungsrate/Geschwindigkeit an der Stelle x Beschleunigung an der Stelle x
wenn $>0$ Funktionswert ist positiv und oberhalb der x-Achse $f'(x)>0 \rightarrow$ Funktion ist monoton steigend. $f''(x)>0 \rightarrow$ die Funktion ist linksgekrümmt (U-förmig). Die Steigung nimmt zu.
wenn $<0$ Funktionswert ist netagiv und unterhalb der x-Achse $f '(x)>0 \rightarrow$ Funktion ist monoton fallend. Die Entfernung nimmt ab. $f''(x)>0 \rightarrow$ die Funktion macht hier eine Rechtskurve (n-förmig)

Die Steigung nimmt ab.

wenn $=0$ Nullstelle Die Funktion steigt und fällt hier nicht. Möglicherweise befindet sich hier ein Extremum. Möglicherweise befindet sich hier ein Wendepunkt.





Nullstellen

Nullstelle




Extremstellen: Hoch- und Tiefpunkte

Im Graphen sind die beiden Extremstellen $x_1$ und $x_2$ samt den dazugehörenden Hoch- und Tiefpunkten eingezeichnet.
Definition: Lokale Extremstellen sind jene Stellen (=x-Werte), an denen der Graph der Funktion einen lokalen Hoch- oder Tiefpunkt hat.


Formale Definition: Eine Funktion f hat bei $x_0$ einen lokalen Hochpunkt, wenn für alle $x$ in einer Umgebung von $x_0$ gilt, dass $f(x)<f(x_0)$. (analog funktioniert die Definition für einen lokalen Tiefpunkt)


Wie am Graphen in der rechten Abbildung gut erkennbar ist, sind die Steigungen an den Extremstellen immer 0 (d.h. beim Hochpunkt und Tiefpunkt steigt f nicht und fällt f nicht. Somit gilt $f'(x)=0$ Zusätzlich ist der Graph beim Hochpunkt linksgekrümmt (d.h. $f''(x)<0$) und beim Tiefpunkt rechtsgekrümmt (d.h. $f''(x)>0$).

Somit erhalten wir...

Kurvendiskussion-Extremstellen-f' und f''.png

Hinreichende Bedingung für ein relatives Extremum

  • $f'(x_0)=0$ und $f''(x_0)< 0$
$\Rightarrow\ \ \ \ $ $x_0$ ist die Stelle eines relativen Hochpunktes (Maximums) von f
  • $f'(x_0)=0$ und $f''(x_0)>0$
$\Rightarrow\ \ \ \ $ $x_0$ ist die Stelle eines relativen Tiefpunktes (Minimums) von f
  • $f'(x_0)=0$ und $f''(x_0)=0$
$\Rightarrow\ \ \ \ $ dann muss hier nicht unbedingt ein Extremum sein.



Der letzte Punkt ($f'(x_0)=0$ ABER $f''(x_0)=0$ wird klar, wenn man sich die Funktion $f(x)=x^3$ ansieht:

Beispiel für $f''(x)=0$, aber kein Extremum: $$f(x)=x^3$$


$f'(x)=3x^2$

$0=3x^2$

$\rightarrow x=0$

     und      

$f''(x)=6x$

$f''(0)=0$

Somit ist $f'(0)=0$ und $f''(0)=0$! Wie man aber leicht am Graphen erkennt, ist bei $x_1=0$ kein Extremum (weder Hoch- noch Tiefpunkt)!

Graph von $f(x)=x^3$