Mathematik · Analysis

Merkblatt: Funktionsuntersuchungen

Differentialrechnung · Kurvendiskussion · farbiges Lernlayout mit interaktiven GeoGebra-Grafiken

1 · Extrempunkte von Funktionen

Notwendige Bedingung\( f'(x)=0 \)
Hinreichende Bedingung
\( f''(x_E)<0 \) → lokales Maximum
\( f''(x_E)>0 \) → lokales Minimum
Y-Wert\( f(x_E)=y_E \)
GeoGebra · f(x)=x³−3x · ExtrempunkteMaximum und Minimum sind markiert

2 · Monotoniekriterium

Wenn für alle \(x\in I\) gilt:
\( f'(x)>0 \) → f ist streng monoton zunehmend in I
\( f'(x)<0 \) → f ist streng monoton abnehmend in I
Lokales Maximum\( f'(x_0)=0 \) und VZW von + nach −
→ lokales Maximum \( f(x_0) \)
Lokales Minimum\( f'(x_0)=0 \) und VZW von − nach +
→ lokales Minimum \( f(x_0) \)

3 · Krümmungsverhalten und Wendepunkt

Linksgekrümmt 🙂
\( f''(x)>0 \) (positiv)
Steigung nimmt zu linksgekrümmt
Rechtsgekrümmt
\( f''(x)<0 \) (negativ)
Steigung nimmt ab rechtsgekrümmt
Wendepunkt · notwendige Bedingung\( f''(x_W)=0 \)
Wendepunkt · hinreichende BedingungVorzeichenwechsel von \( f'' \) bei \(x_W\) → Wendepunkt W
Wichtig: \( f''(x_W)=0 \) allein reicht nicht sicher aus. Erst der VZW von \( f'' \) bestätigt den Wendepunkt.

4 · Tangentengleichung bestimmen

Gegeben / gesucht\( f(x)=\tfrac12x^2-3x \) · Gesucht: \( t(x)=m\cdot x+b \) an der Stelle \( x_0=1 \)
Ableitung bilden: \( f'(x)=x-3 \)
m bestimmen: \( m=f'(x_0)=f'(1)=1-3=-2 \) → \( t(x)=-2x+b \)
y-Wert berechnen:
\( y_0=f(x_0)=f(1)=\tfrac12\cdot1^2-3\cdot1=-2{,}5 \) → \( T(1\mid -2{,}5) \)
b bestimmen (Berührpunkt in \(t(x)\) einsetzen):
\( -2\cdot1+b=-2{,}5 \) → \( b=-0{,}5 \)
Berührpunkt\( T(1\mid -2{,}5) \)
Steigung der Normalen\( m_{\text{Nor}}=-\dfrac{1}{m_{\text{Tan}}} \)
Interaktive Grafik · Tangente und Normalegleiche Skalierung: die Normale steht wirklich senkrecht
\(x_0\)1

5 · Mitternachtsformel (abc-Formel)

Für \(ax^2+bx+c=0\)\[ x_{1,2}=\dfrac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a} \]
Diskriminante \(D=b^2-4ac\)
\(D>0\) → zwei Lösungen
\(D=0\) → eine Lösung (Doppelwurzel)
\(D<0\) → keine reelle Lösung

6 · Ableitungsregeln

RegelFunktion \(f(x)\)Ableitung \(f'(x)\)
Potenzregel\(x^n\)\(n\cdot x^{n-1}\)
Faktorregel\(a\cdot u(x)\)\(a\cdot u'(x)\)
Summenregel\(u(x)+v(x)\)\(u'(x)+v'(x)\)
Produktregel\(u(x)\cdot v(x)\)\(u'(x)\cdot v(x)+u(x)\cdot v'(x)\)
Quotientenregel\(\dfrac{u(x)}{v(x)}\)\(\dfrac{u'(x)\cdot v(x)-u(x)\cdot v'(x)}{(v(x))^2}\)
Kettenregel\(u(v(x))\)\(u'(v(x))\cdot v'(x)\)

7 · Besondere Ableitungen

Funktion \(f(x)\)1. Ableitung \(f'(x)\)2. Ableitung \(f''(x)\)
\(\sin(x)\)\(\cos(x)\)\(-\sin(x)\)
\(\cos(x)\)\(-\sin(x)\)\(-\cos(x)\)
\(\tan(x)\)\(1+\tan^2(x)\)\(2\tan(x)\cdot(1+\tan^2(x))\)
\(\ln(x)\)\(\dfrac{1}{x}\)\(-\dfrac{1}{x^2}\)
\(\log_a x\)\(\dfrac{1}{x\cdot\ln(a)}\)\(-\dfrac{1}{x^2\cdot\ln(a)}\)
\(a^x\)\(a^x\cdot\ln(a)\)\(a^x\cdot(\ln(a))^2\)
\(e^x\)\(e^x\)\(e^x\)

8 · Asymptoten bei gebr.-rat. Funktionen

Waagrechte oder schräge Asymptote / Verhalten im Unendlichen

Fall 1
\( f(x)=\dfrac{4x^3}{5x^6+x^3-3} \)
Zählergrad 3 < Nennergrad 6
\(y=0\)
\(\lim_{x\to\pm\infty}f(x)=0\)
→ x-Achse ist Asymptote
Fall 2
\( g(x)=\dfrac{5x^2+1}{(x-1)(x+1)} \)
Zählergrad 2 = Nennergrad 2 (Z = N)
\(y=\tfrac51=5\)
\(\lim_{x\to\pm\infty}g(x)=5\)
→ Parallele zur x-Achse
Fall 3
\( h(x)=\dfrac{2x^2-x+4}{x-1} \)
Zählergrad 2 = Nennergrad 1
\(y=2x+1\)
\(\lim_{x\to\infty}h(x)=+\infty\)
\(\lim_{x\to-\infty}h(x)=-\infty\)
→ schräge Asymptote
Vergleich der GradeAsymptote
Zählergrad < Nennergrad\(y=0\) (x-Achse)
Zählergrad = Nennergradwaagrechte Asymptote \(\displaystyle y=\frac{a_n}{b_n}\)
Zählergrad = Nennergrad + 1schräge Asymptote (Polynomdivision)

9 · Symmetrie

Immer zuerst \(f(-x)\) bilden: \(-x\) in \(f(x)\) einsetzen, vereinfachen und dann prüfen, ob als Ergebnis \(f(x)\) oder \(-f(x)\) herauskommt.
Achsensymmetrie zur y-Achse — Spiegelung
\( f(-x)=f(x) \)
Spiegelung
Punktsymmetrie zum Ursprung — Drehung um 180°
\( f(-x)=-f(x) \)
Drehung um 180°

10 · Polstellen mit und ohne Vorzeichenwechsel

Funktionsterm muss vollständig gekürzt vorliegen. Die Ordnung einer Polstelle gibt die Vielfachheit der zugehörigen Nullstelle des Nennerpolynoms an.
Definitionsmenge (Beispiel)\(D_f=\mathbb{R}\setminus\{2\}\)
1. Ordnung (ungerade)\( f(x)=\dfrac{x+1}{x-2} \)

Polstelle mit VZW bei ungerader Ordnung
2. Ordnung (gerade)\( g(x)=\dfrac{x+1}{(x-2)^2} \)

Polstelle ohne VZW bei gerader Ordnung
Mit VZWungerade Ordnung
Ohne VZWgerade Ordnung

11 · Die mittlere Änderungsrate

Differenzenquotient\[ m=\dfrac{\Delta y}{\Delta x}=\dfrac{f(a)-f(b)}{a-b} \]

Frage: Wie verändern sich die Funktionswerte in einem bestimmten Intervall \([a; b]\)?
Der Differenzenquotient entspricht der Steigung der Sekante durch \(P(a\mid f(a))\) und \(Q(b\mid f(b))\).

GeoGebra · Mittlere ÄnderungsrateSekante, Δx und Δy sind separat eingezeichnet
\(a\)−1
\(b\)2,5
m = Δy / Δx