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Erarbeitung

Lokale Ableitungswerte verwenden

Wir bearbeiten hier diese Frage:

Leitfrage

Kann man mit Hilfe geeigneter Information über Ableitungswerte an einer Stelle x erschließen, ob eine Funktion an dieser Stelle einen Hoch- bzw. Tiefpunkt hat?

Aufgabe 1

Betrachte die im Applet unten voreingestelle Situation: Für die betrachtete Stelle x gilt f(x)=0 und f(x) < 0. Ziel dieser Aufgabe ist es, hieraus Schlüsse zu ziehen.

(a) Mache dir zunächst Folgendes klar: Wir setzen voraus, dass der Graph der 2. Ableitungsfunktionen in einer kleinen Umgebung der Stelle x keine Sprungstellen aufweist. Dann verläuft Graph f in einer kleinen Umgebung von der Stelle x unterhalb der x-Achse. Stelle zur Verdeutlichung den Schieberegler u2=0.2 ein.

(b) Begründe mit dem Wissen aus (a), dass f folglich in einer kleinen Umgebung von x streng monoton fallend ist und dass f somit an der Stelle x einen +/-Vorzeichenwechsel haben muss. Überprüfe, indem du den Schieberegler u1=0.2 einstellst.

(c) Begründe mit dem Wissen aus (b), dass f an der Stelle x einen Hochpunkt haben muss. Überprüfe, indem du den Schieberegler u0=0.2 einstellst.

Anleitung für das Applet
  • Ziel ist es, Vorhersagen über den Graph von f (im oberen Koordinatensystem) in der Umgebung des Punktes P zu treffen. Überprüfen kann man die Vorhersagen, indem man die Umgebung um den Punkt P mit dem Schieberegler u0 sichtbar macht. Für u0=0 wird nur die Stelle x angezeigt, für u0=4 erhält man den kompletten Graph im Fenster. Wozu das gut ist, wird in den Aufgaben geklärt. Probiere das einmal aus und stelle dann wieder den Ausgangswert u0=0 ein.
  • Die Position des Punktes P auf dem unsichtbaren Graph f kann man mit dem Schieberegler x ganz oben einstellen. Probiere das einmal aus. Der Punkt P springt dann an neue Positionen – aber nur innerhalb des gesetzten Rahmens für das Koordinatensystem. Beachte, dass man P nur in voreingestellten Abständen bewegen kann. Das dient dazu, dass man die Punkte von Interesse möglichst schnell einstellen kann.
  • Zum Punkt P im oberen Koordinatensystem wird auch ein zugehöriger (blau dargestellter) Punkt Q im Koordinatensystem für die Ableitungsfunktion f sowie ein zugehöriger (grün dargestellter) Punkt R im Koordinatensystem für die Ableitungsfunktion f erzeugt. Während P den Funktionswert f(x) an der Stelle x veranschaulicht, verdeutlicht Q die Ableitung f(x) und R die 2. Ableitung f(x) an der Stelle x.
  • Mit den Schiebereglern u1 und u2 kann man analog den Graph der Funktion f bzw. f in der Umgebung der jeweiligen Punkte sichtbar machen. Probiere das einmal aus und stelle dann wieder die Ausgangswerte u1=0 und u2=0 ein.
  • Die Schaltflächen auf der rechten Seite dienen dazu, eine vorgegebene Ausgangsfunktion auszuwählen. Bleibe vorerst bei der Funktion in Beispiel 1.

Zum Herunterladen: lokale_extrema_hoehere_ableitungen6.ggb

Aufgabe 2

(a) Betrachtete jetzt eine Stelle x mit f(x)=0 und f(x) > 0. Bewege dafür den orangen Schieberegler nach rechts. Gehe dann analog zu Aufgabe 1 vor und untersuche, ob man mit Hilfe dieser Information vorhersagen kann, ob Graph f an der Stelle x einen Hoch- oder Tiefpunkt hat. Überprüfe deine Vermutung auch an anderen Beispielen und Stellen.

(b) Betrachtete verschiedene Stellen x mit f(x)=0 und f(x)=0. Betrachte hierzu insbesondere die Stelle x=0 in Beispiel 5 und Beispiel 6. Kann man mit Hilfe dieser Information vorhersagen, ob Graph f an der Stelle x einen Hoch- oder Tiefpunkt hat?

Ergebnisse sichern

Die gefundenen Zusammenhänge werden jetzt festgehalten.

Aufgabe 3

(a) Ergänze passende Einträge in der Tabelle.

Eigenschaft von f und f
(hinreichende Bedingung)
hieraus folgtEigenschaft von f
f(x)=0 und f(x) < 0 f hat an der Stelle x ...
f(x)=0 und f(x)>0 f hat an der Stelle x ...

(b) Formuliere die Zusammenhänge mit Wenn-Dann-Aussagen.

Hinreichende Bedingung für Hoch- und Tiefpunkte (mit höheren Ableitungen)

Wenn f(x)=0 und f(x) < 0, dann hat f an der Stelle x ...

Wenn f(x)=0 und f(x) > 0, dann hat f an der Stelle x ...

Beachte:

Wenn f(x)=0 und f(x)=0, dann kann man nicht entscheiden, ob an der Stelle x ...

Aufgabe 4

Fülle die Box „Hinreichende Bedingungen mit höheren Ableitungen“ im Wissensspeicher zu Extrempunkten aus.

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