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aktuell behandeln wir im Rahmen der Funktionsanalyse auch Extrempunkte und die Ermittlung derer.  Es geht mir also erst einmal um die Ermittlung einfacher Extrempunkte und die simplen Grundlagen der Thematik.

Folgendes habe ich bis jetzt gelernt:

Eine Bedingung dafür das ein Extrempunkt existiert ist, dass die Ableitung der Funktion an mindestens einer Stelle = 0 sein muss. Die Steigung muss also an mindestens einem Punkt der Funktion = 0 sein. Logisch soweit. 

Nun meine Frage: Uns wurde gesagt, dass es in einigen Fällem möglich ist, ,mögliche Extrempunkte einer Funktion zu finden, indem man die Formel für die Funktion untersucht. Mir ist nur nicht ganz klar, was genau ich machen muss. 

Wie kann ich zum Beispiel durch einfaches untersuchen der Funktion f(x) = 3-(x-2)2 herausfinden, was mögliche Extrempunkte der Funktion sind? Die Aufgabe soll quasi nicht rechnerisch gelöst werden sondern nur indem ich die einzelnen Terme der Funktion (und deren Vorzeichen nehme ich an) untersuche. 

In den meisten bisherigen Fällen untersuche ich eine Funktion auf Extrempunkte indem ich die erste Ableitung der Funktion bilde und die Nullstelle(n) der Ableitung ermittle. Somit habe ich schonmal meinen Extrempunkt, also mein x-Wert.

Um zu bestimmen ob es sich um einen Maximal- oder Minimalpunkt handelt, wähle ich jeweils einen Wert "links" neben der Nullstelle und einen Wert "rechts" neben der Nullstelle, also einen kleineren und größeren Wert der Nullstelle. Diese Werte setze ich in meine Ableitung ein und erhalte so Kenntnis über das Monotonieverhalten. Das widerum verrät mir, ob mein Extrempunkt ein Minimal- oder Maximalwert ist.

Setze ich den vorher ermittelten Extrempunkt noch in meine Ausgangsfunktion ein, erhalte ich meinen Extremwert, also den dazugehörigen y-Wert. Das rechnerische lösen bereitet mir also keine Probleme. Wie ich Extrempunkte anhand einer Untersuchung der Funktion ermitteln kann, ist mir aber nicht klar.

Wie kann ich Extrempunkte einer Funktion durch simples untersuchen der einzelnen Terme ermitteln? 

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1 Antwort

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Beste Antwort

Nun, wie man im Einzelnen vorgehen muss, hängt natürlich von der konkret gegebenen Funktion ab.

Beim Beispiel

f ( x ) = 3 - ( x - 2 ) 2

etwa handelt es sich offensichtlich um eine quadratische Funktion. Von solchen Funktionen weiß man, dass sie einen Scheitelpunkt besitzen. Ein Scheitelpunkt aber ist gleichzeitig auch ein Extrempunkt.
Den Scheitelpunkt einer quadratischen Funktion findet man z.B. dadurch, dass man den Funktionsterm in die Scheitelpunktform bringt.

Schaut man sich f ( x ) an, so sieht man, dass diese bereits in Scheitelpunktform ist:

f ( x ) = - 1 * ( x - 2 ) 2 + 3

Also kann man den Scheitelpunkt S ablesen:

S ( 2 | 3 )

und hat somit auch den Extrempunkt gefunden.

 

Das war nun allerdings auch ein extrem einfaches Beispiel.
Bei anderen Funktionen, insbesondere bei solchen, die keine Polynomfunktionen sind, mag es häufig schiweriger bis nahezu unmöglich sein, die Extremstellen durch einfaches Untersuchen der Funktionsterme zu finden.

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Wie sieht es hier aus?

f(x) = -2/ (2+x2

Der Nenner ist eine quad. Funktion. Muss man hier genauso vorgehen? 

f ( x ) = -2 / ( 2 - x^2 )
f ´( x ) = -4 * x / ( 2 - x^2 )^2
Ein Bruch ist dann gleich 0 wenn der Zähler 0 ist
-4 * x = 0
x = 0
Die Funktion hat an der Stelle x = 0 eine waagerechte Tangente.
Bei dieser Funktion auch einen Extrempunkt, muß aber nicht sein.

" Eine Bedingung dafür das ein Extrempunkt existiert ist, dass die
Ableitung der Funktion an mindestens einer Stelle = 0 sein muss.
Die Steigung muss also an mindestens einem Punkt der
Funktion = 0 sein. Logisch soweit."
Leider nicht.
Es kann auch ein Sattelpunkt sein.

Soviel zunächst.

mfg Georg

Nun, hier handelt es sich um einen Bruchterm mit konstantem Zähler. Ein solcher Bruchterm hat dort ein Extremum, wo sein Nenner ein Maximum oder ein Minimum annimmt.

Nun nimmt der quadratische Nenner x 2 + 2 nirgends ein Maximum an, wohl aber ein Minimum, nämlich an seiner  Scheitelstelle. Die findet man wieder dadurch, dass man x 2 + 2 in Scheitelpunktform bringt:

x 2 + 2 = 1 * ( x - 0 ) 2 + 2

=> Scheitelpunkt S ( 0 | 2 )

Also nimmt x 2 + 2 an der Stelle x = 0 ein Minimum an. Daher hat

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

bei x = 0 einen maximalen Betrag. Da aber der Zähler negativ ist, hat f ( x ) an dieser Stelle ein Minimum.

@georgborn:

Ich habe die Frage so aufgefasst, dass die Funktion eben gerade nicht mit Hilfe der Ableitung untersucht werden soll ... und ich bin auch der Ansicht, dass der Fragesteller dies so gemeint hat.

Außerdem:

" Die Steigung muss also an mindestens einem Punkt der
Funktion = 0 sein. Logisch soweit."

Leider nicht.
Es kann auch ein Sattelpunkt sein.

Dennoch ist die notwendige Bedingung für eine Extremstelle an der Stelle x, dass f ' ( x ) = 0 ist. Ist dass nicht der Fall, dann hat f ( x ) an der Stelle x keine Extremstelle (und auch keinen Sattelpunkt) .

Zur Information
In meiner ersten Antwort muß es anstelle
f ´( x ) = 4 * x / ( 2 - x2 )2 heißen
f ´( x ) = - 4 * x / ( 2 - x2 )2

( wurde von mir korrigiert )

@JotEs
Ich bestimme die Art des Extrempunkts einmal über die
Monotonie
f ´( x ) > 0 ( steigend )
-4 * x / ( 2 - x2 )2 > 0 
-4 * x > 0
x < 0
f ´( x ) < 0 ( fallend )
-4 * x / ( 2 - x2 )2 < 0 
-4 * x < 0
x > 0
Vor dem Extrempunkt steigend, nach dem
Extrempunkt fallend. Der Extrempunkt ist
ein Hochpunkt. Du hast ein Minimum
angegeben.

Der Fragesteller schrieb :
" In den meisten bisherigen Fällen untersuche ich eine
Funktion auf Extrempunkte  indem ich die erste Ableitung
der Funktion bilde und die Nullstelle(n) der Ableitung ermittle.
Somit habe ich schonmal meinen Extrempunkt, also mein x-Wert.

Sprachlich heißt das doch wohl : Sobald ich die Nullstelle der ersten
Ableitung ermittelt habe, habe ich eine Extremstelle.
Dem wollte ich widersprechen.

mfg Georg

 

@georgborn:

Der Fragesteller schrieb :
" In den meisten bisherigen Fällen untersuche ich eine
Funktion auf Extrempunkte  indem ich die erste Ableitung
der Funktion bilde und die Nullstelle(n) der Ableitung ermittle.
Somit habe ich schonmal meinen Extrempunkt, also mein x-Wert.

Sprachlich heißt das doch wohl : Sobald ich die Nullstelle der ersten
Ableitung ermittelt habe, habe ich eine Extremstelle.

Da gebe ich dir recht und diese Äußerung des Fragestellers ist auch tatsächlich falsch.

In deinem vorhergehenden Kommentar hast du aber eine andere Äußerung des Fragesteller zitiert und als falsch bezeichnet, nämlich die Äußerung:

" Eine Bedingung dafür das ein Extrempunkt existiert ist, dass die
Ableitung der Funktion an mindestens einer Stelle = 0 sein muss.
Die Steigung muss also an mindestens einem Punkt der
Funktion = 0 sein. Logisch soweit."

Diese Äußerung aber ist korrekt.

@JotEs. " ... Diese Äußerung aber ist korrekt. " Stimmt.
Ich hatte mehr die ganze Fragestellung gesehen.

Deiner Antwort : Es gibt nur wenige Funktionen bei denen
man ohne Differenztialrechnung den Extrempunkt bestimmen
kann stimme ich zu.
Ich mache die erste Ableitung und bestimme die Monotonie-
bereiche. Daraus wird die Art des Extremspunkts ersichtlich.
Gleichwertig ist die Bildung der 2.Ableitung  und deren Nutzung
für die Bestimmung der Art des Extrempunkts ( oder auch als
Sattelpunkt ).

mfg Georg
@JotEs
Falls du noch freie Zeit hast. Kannst du hierbei
behilflich sein?
https://www.mathelounge.de/125246/kapitalstrom-bei-stetiger-verzinsung-bakterienbestand?show=125920#c125920

mfg Georg

Wenn ich eine Extremstelle ermitteln möchte setze ich also die erste Ableitung gleich 0. Diese Nullstelle oder Nullstellen setze ich in meine Ausgangsgleichung ein und erhalte meinen Extrempunkt oder meine Extrempunkte.

Jetzt weiß ich aber noch nicht ob es sich um ein Minimum oder Maxium handelt. Um das zu bestimmen kann ich entweder das Monotonieverhalten bestimmen ODER ich bilde die zweite Ableitung und setze meine Nullstelle(n) in diese ein. Erhalte ich einen positiven Wert, handelt es sich um einen Minimum, erhalte ich einen negativen Wert, handelt es sich um ein Maxium. Welches Methode ich wähle bleibt mir überlassen. Habe ich das richtig verstanden?

Wenn ich eine Extremstelle ermitteln möchte setze ich also die erste Ableitung gleich 0. Diese Nullstelle oder Nullstellen setze ich in meine Ausgangsgleichung ein und erhalte meinen Extrempunkt oder meine Extrempunkte.

Nein, nicht unbedingt. Wie georgborn schon richtig schrieb, kann an den Nullstellen der ersten Ableitung auch ein Sattelpunkt der Ausgangsfunktion vorliegen. Die Nullstellen der ersten Ableitung sind also lediglich Kandidaten für Extremstellen. An anderen Stellen als an diesen kann keine Extremstelle vorliegen.

Ob diese Kandidaten aber auch tatsächlich Extremstellen sind oder doch Sattelpunkte, muss noch anderweitig untersucht werden, eben etwa mit Hilfe der zweiten Ableitung oder mit dem Monotonieverhalten.

Der weitere Inhalt deines letzten Kommentars ist korrekt, allerdings nicht vollständig. Er lässt nämlich den Fall offen, dass die zweite Ableitung für einen der Extremstellenkandidaten weder einen negativen noch einen positiven Wert sondern den Wert Null liefert.

Okay verstehe, nun habe ich bei dieser aufgabe Probleme die Nullstellen zu finden

f(x)=x3e−x Wenn ich die Funktion ableite erhalte ich

3x2 *e-x - x3 *(-e-x)

Kann ich nun mit ausklammern arbeiten um die Nullstellen zu finden? 

Ja, natürlich. Die Art und Weise der Nullstellenbestimmung bleibt dir überlassen, sofern sie nicht explizit vorgegeben ist.

Ausklammern ist hier auch eine durchaus gute Idee ..

3x2 *e-x + x3 *(-e-x) meine ich 

Oder umgeschrieben:

3x2 *e-x - x3 *e-x Jetzt kann ich doch e-x ausklammern und erhalte e-x(3x2-x3)

e-x wird niemals 0. Der Klammerausdruck ist eine kubische Gleichung wird 0 bei x0 = 0 und x0 = 3.

Ja, das ist völlig richtig.

Nun weiter ...

Meine dazugehörigen Y-Werte sind:

x0= 0 y0= 0

und

x1= 3 y1= 1,344

Wenn ich jetzt das Monotonieverhalten um meine erste Nullstelle, welche 0 ist, untersuche komme ich darauf, dass die Funktion im Intervall (-∞,0] fällt und von [0,∞) steigt.  0 ist ein Minimumpunkt.

Das Monotonieverhalten meiner zweiten Nullstelle, welche 0 ist, untersuche ich auf dieselbe Art und erhalte: wachsend auf dem Intervall (-∞,3] und fallend auf [3,∞). 3 ist  ein Maximumpunkt.

Soweit korrekt?

f ´( x ) = e-x * ( 3 x2 - x3 )
e^{-x} ist stets positiv

Die Funktion ist steigend wenn gilt
( 3 x2 - x3 )  > 0

x^2 * ( 3  - x ) > 0
x^2 ist stets größer null
3 - x > 0
x < 3

Die Funktion ist fallend wenn gilt
( 3 x2 - x3 )  < 0

x^2 * ( 3  - x ) < 0
x^2 ist stets größer null  =>
3 - x < 0
x > 3

Es ergeben sich folgende Aussagen
steigend für x < 3
fallend für x > 3
Der Extrempunkt x = 3 ist also ein Maximum.

Für den Punkt mit waagerechter Tangente x = 0
haben wir zunächst einmal keine direkte Aussage.

So Und nun kommt ein Sattelpunkt ins Spiel.
Ich erkläre einen Sattelpunkt mit Worten :
Fällt eine Funktion, erreicht dann einen Punkt mit
waagerechter Tangente und fällt dann weiter so
spricht man von einem Sattelpunkt.
Steigt eine Funktion, erreicht dann einen Punkt mit
waagerechter Tangente und steigt dann weiter so
spricht man von einem Sattelpunkt.

Dies trifft auf den Punkt mit x = 0 zu.

Ich füge gleich noch ein Bild ein.

mfg Georg


 

 


 

Hier noch das versprochene Bild.

 

NUr ein Hilfstext damit 40 zeichen gefüllt werden.

mfg Georg

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