Monotonie, Extrempunkte und Wendepunkte
Nach dieser Lektion kannst du
am Vorzeichen von ablesen, wo eine Funktion steigt und wo sie fällt
erklären, warum für einen Extrempunkt notwendig, aber nicht hinreichend ist
Extrempunkte mit dem Vorzeichenwechsel von und mit der zweiten Ableitung nachweisen
Links- und Rechtskurven mit beschreiben und Wendepunkte bestimmen
Sattelpunkte und Randextrema erkennen
Ein Höhenprofil lesen. Auf einer Wanderkarte ist neben der Route oft ein Höhenprofil abgedruckt: die Höhe über der zurückgelegten Strecke. Wer das Profil liest, will wissen, wo es bergauf und bergab geht, wo der höchste Punkt liegt, und wo der Anstieg am steilsten ist. Genau diese Fragen beantworten die Ableitungen, und zwar auch dann, wenn man nur den Funktionsterm kennt und keinen Graphen.
- Bergauf oder bergab ist eine Frage nach dem Vorzeichen der Steigung, also nach .
- Gipfel und Täler sind die Stellen, an denen bergauf in bergab übergeht oder umgekehrt.
- Am steilsten ist es dort, wo die Steigung selbst am größten ist. Das ist eine Frage nach der Änderung der Steigung, also nach , der Ableitung der Ableitung.
Eine Funktion hat an der Stelle eine waagerechte Tangente, also . Liegt dort sicher ein Hoch- oder Tiefpunkt?
Probier es aus
Monotonie
Eine Funktion heißt auf einem Intervall
- streng monoton steigend, wenn für alle in gilt: ,
- streng monoton fallend, wenn für alle in gilt: .
In Worten: Weiter rechts ist der Funktionswert immer größer (bzw. immer kleiner). Ohne das Wort „streng“ (also mit statt ) sind auch waagerechte Stücke erlaubt.
Monotoniesatz
Ist auf einem Intervall differenzierbar, dann gilt:
Hochpunkt und Tiefpunkt
Die Stelle heißt lokale Maximalstelle von , wenn es ein Intervall um gibt, in dem kein Funktionswert größer als ist. Der Punkt heißt dann Hochpunkt. Entsprechend: lokale Minimalstelle und Tiefpunkt. Zusammen heißen sie Extremstellen und Extrempunkte.
„Lokal“ heißt: Es geht nur um die Umgebung. Ein Hochpunkt ist ein Gipfel, nicht unbedingt der höchste Berg des ganzen Gebirges. Der größte Wert auf dem ganzen Definitionsbereich heißt globales Maximum.
Notwendige Bedingung
Ist differenzierbar und hat an der Stelle (im Inneren des Definitionsbereichs) eine Extremstelle, dann ist
Hinreichende Bedingung: Vorzeichenwechsel
Sei . Wechselt an der Stelle das Vorzeichen
Alle Extrempunkte von
Alle Extrempunkte von
Wir gehen in drei Schritten vor: Kandidaten finden, Vorzeichen prüfen, Punkte angeben.
Ableitung und Kandidaten:
Die Krümmung. Fährt man mit dem Fahrrad den Graphen von links nach rechts entlang, muss man in manchen Abschnitten nach links lenken und in anderen nach rechts. Beim Linkslenken dreht sich die Fahrtrichtung gegen den Uhrzeigersinn, die Tangente wird also immer steiler (oder weniger steil fallend): wächst. Beim Rechtslenken wird kleiner.
Ob wächst oder fällt, sagt die Ableitung von , die zweite Ableitung . Mit ihr wird aus der Fahrrad-Vorstellung eine Rechnung.
Linkskurve, Rechtskurve, Wendepunkt
Der Graph von ist auf einem Intervall eine
- Linkskurve (konvex), wenn dort streng monoton steigt. Das ist sicher der Fall, wenn ist.
- Rechtskurve (konkav), wenn dort streng monoton fällt. Das ist sicher der Fall, wenn ist.
Ein Punkt, an dem der Graph von einer Links- in eine Rechtskurve übergeht oder umgekehrt, heißt Wendepunkt. Dort hat einen Hoch- oder Tiefpunkt: Die Steigung ist lokal am größten oder am kleinsten. Die Tangente im Wendepunkt heißt Wendetangente. Ist sie waagerecht, nennt man den Wendepunkt Sattelpunkt.
Extrempunkte mit der zweiten Ableitung
Ist , dann gilt
Für ist und . Was liegt an der Stelle vor?
Wendepunkte bestimmen
Notwendig für eine Wendestelle ist . Hinreichend ist zusätzlich einer der beiden Tests:
Wendepunkt und Wendetangente von
Wendepunkt und Wendetangente von
- ergibt .
- , also ist eine Wendestelle. Mit ist der Wendepunkt .
- Für ist (Rechtskurve), für ist (Linkskurve).
- Steigung im Wendepunkt: . Die Wendetangente ist .
An der Stelle fällt am steilsten: Die Steigung ist der kleinste Wert, den annimmt. Das passt dazu, dass der Wendepunkt eine Extremstelle von ist.
Probier es aus
Nur lösen
Nur lösen
Man löst und erklärt alle Lösungen zu Extremstellen.
Die Lösungen sind nur Kandidaten. Jeder muss mit dem Vorzeichenwechsel oder mit geprüft werden. Bei fällt so der Kandidat heraus.
Aus auf „kein Extremum“ schließen
Aus auf „kein Extremum“ schließen
Man findet und und schließt: kein Extremum, also Sattelpunkt.
Der Test mit versagt hier nur, er sagt nicht „nein“. hat bei einen Tiefpunkt, obwohl ist. Dann den Vorzeichenwechsel von prüfen: wechselt von nach .
Nur die Stelle angeben
Nur die Stelle angeben
Man schreibt „Hochpunkt bei “ und hört auf.
Ein Punkt hat zwei Koordinaten. Die -Koordinate bekommt man durch Einsetzen in , nicht in (dort käme heraus). Richtig: .
Zusammenfassung
auf einem Intervall: steigt dort streng. : fällt streng.
Notwendig für eine Extremstelle im Inneren: . Das liefert nur Kandidaten.
Hinreichend: Vorzeichenwechsel von ( nach Hochpunkt, nach Tiefpunkt) oder ( Hochpunkt, Tiefpunkt).
Bei entscheidet nur der Vorzeichenwechsel.
: Linkskurve, : Rechtskurve. Wendepunkte sind Extremstellen von : und Vorzeichenwechsel von (oder ).
Ein Wendepunkt mit waagerechter Tangente ist ein Sattelpunkt.
Auf einem abgeschlossenen Intervall auch die Randwerte vergleichen.
Übungen
Bestimme die -Koordinate des Tiefpunkts von .
Bestimme die Wendestelle von .
Die Funktion hat an der Stelle die Werte und . Was liegt dort vor?
Wie groß ist die -Koordinate des Hochpunkts von ?
Was gilt für an der Stelle ?
An welcher Stelle steigt der Graph von am stärksten?
Welchen größten Wert nimmt auf dem Intervall an?
Zeige: Jede ganzrationale Funktion dritten Grades mit hat genau einen Wendepunkt. Zeige außerdem, dass ihr Graph punktsymmetrisch zu diesem Wendepunkt ist, am Beispiel .