Analysis
Zusammenhang von Funktion und Ableitungsfunktion
Aus dem Graphen von f den Graphen von f′ lesen, und umgekehrt.
Benötigte Grundlagen
Diese Themen kommen in diesem Kapitel vor und wurden vorher schon erklärt. Wenn dir eines davon unsicher vorkommt, frisch es kurz auf, sonst leg direkt los.
Einführung
Zeig mir den Graphen einer Funktion, und ich zeichne dir ihre , ganz ohne Formel. Denn misst nur eines: die von an jeder Stelle. Wo steigt, ist positiv; wo einen Gipfel hat, ist null. Diesen Blick zwischen den Graphen zu beherrschen, ist die halbe .
Das kannst du nach diesem Kapitel
aus dem Graphen von Vorzeichen und von ablesen.
den Graphen von skizzieren und umgekehrt aus auf schließen.
Hoch-/Tiefpunkte von mit Nullstellen von verknüpfen.
die Bedeutung von als von erkennen.
Zwei Graphen, eine Information
Bisher war vor allem eine Rechenvorschrift. Jetzt betrachten wir sie als eigenen Graphen, und lernen, zwischen beiden Bildern zu übersetzen. Das ist eine der häufigsten Aufgabenformen der Oberstufe: „Hier ist der Graph von , was folgt daraus für ?"
Der Grundgedanke
ist keine neue geheimnisvolle Kurve. Sie zeigt an jeder Stelle nur eine einzige Information über : wie steil die Kurve dort ist.
Aus dieser einen Zeile folgt die gesamte Übersetzungstabelle. Du kannst sie dir also jederzeit selbst herleiten, statt sie auswendig zu lernen.
| Verhalten von | Wert von | warum |
|---|---|---|
| steigt | (über der x-Achse) | positive |
| fällt | (unter der x-Achse) | negative Steigung |
| hat Hoch-/ | () | waagerechte |
| ist am steilsten | hat ein Extremum | größte Steigung |
| hat einen | hat ein Extremum | Steigung kehrt um |
Die wichtigste Warnung
Ein Hochpunkt von ist kein Hochpunkt von ! Wenn ganz oben ist, bedeutet das nur: Dort ist am steilsten, wächst also am schnellsten. Der Hochpunkt von liegt dagegen dort, wo null wird, also die -Achse schneidet.
Diese Verwechslung ist der häufigste Fehler bei Graphenaufgaben. Präge dir ein: Bei interessieren dich die Extrempunkte, bei die Nullstellen.
Das Bild unten zeigt beide Graphen übereinander, vergleiche gezielt: Wo schneidet die -Achse, und was macht genau dort?
f(x)=x³−3x und ihre Ableitung f'
(blau) liest die von (grün) ab: Wo einen Hoch- oder hat, ist ( von bei ). Wo steigt, ist ; wo fällt, ist .
In beide Richtungen übersetzen
Aufgaben verlangen beide Richtungen, mal ist gegeben und zu skizzieren, mal umgekehrt. Für beide gibt es ein festes Vorgehen.
Von zu , den Graphen der Ableitung skizzieren
- Waagerechte suchen. An jeder solchen Stelle hat eine . Dort schneidet die neue Kurve die -Achse. Das sind deine Ankerpunkte.
- Vorzeichen eintragen. Wo steigt, verläuft oberhalb der Achse; wo fällt, unterhalb.
- Höhe abschätzen. Wo am steilsten ist, erreicht seinen größten Abstand zur Achse.
Kontrolle über den Grad: Ist ein Polynom vom Grad , hat den Grad . Aus einer wird eine Gerade, aus einer Funktion dritten Grades eine Parabel. Passt das bei deiner Skizze nicht, ist etwas schiefgegangen.
Von zurück zu , die schwierigere Richtung
Hier liest du aus dem Ableitungsgraphen das Verhalten von ab:
- Nullstellen von suchen. Das sind die Kandidaten für von .
- Vorzeichenwechsel prüfen:
- von nach → Hochpunkt von (erst steigend, dann fallend)
- von nach → Tiefpunkt von
- kein Wechsel (die Kurve berührt die Achse nur) → Sattelpunkt, kein Extrempunkt
- Extrempunkte von suchen, sie markieren die von .
Was du aus nicht ablesen kannst: die Höhe von . Der Ableitungsgraph verrät nur die , nicht den Startwert. Deshalb kann man aus nur bis auf eine Verschiebung nach oben oder unten rekonstruieren, alle diese Kurven haben dieselbe . Genau diese Lücke schließt in Klasse 12 die Integralrechnung.
Prüfe dich: Die Ableitung von f ist x Quadrat. Sie wird bei x gleich null zwar null, wechselt dort aber nicht das Vorzeichen. Hat f bei null einen Extrempunkt?
Nein, und genau dafür steht das Wort Kandidat.
ist für alle positiv (!), links wie rechts der . steigt also vor der Stelle und danach. Es entsteht kein Gipfel und kein Tal, sondern ein Sattelpunkt: Die Kurve wird nur für einen Moment waagerecht und steigt weiter.
Nach der Übersetzungsliste oben: Nullstelle von ohne Vorzeichenwechsel → kein . Du kennst ein solches übrigens schon: (plus beliebige Konstante) hat genau die , und der Graph von hat im Ursprung seinen Sattelpunkt.
Merke: macht nur zum Kandidaten, erst der Vorzeichenwechsel entscheidet. (Im Fachjargon: ist notwendig, aber nicht hinreichend, dieses Begriffspaar bekommt im Extrempunkte-Kapitel seinen großen Auftritt.) Wer nur die Nullstelle prüft, tappt bei Funktionen wie in die klassische Abiturfalle.
Die zweite Ableitung: die Änderung der Änderung
Wenn selbst wieder eine Funktion ist, kann man sie dann nicht auch ?
Ja. Das Ergebnis heißt zweite Ableitung und wird geschrieben (gesprochen „f zwei Strich"). Formal ist das nichts Neues: Du wendest dieselben Ableitungsregeln einfach ein zweites Mal an.
Was sie inhaltlich bedeutet
misst, wie schnell sich ändert. Also misst , wie schnell sich ändert, also wie schnell sich die ändert.
Das klingt abstrakt, ist im Alltag aber völlig vertraut. Beim Autofahren:
| Größe | Bedeutung | Beispiel |
|---|---|---|
| zurückgelegter Weg | Kilometerstand | |
| Geschwindigkeit | Tacho zeigt | |
| Beschleunigung | du wirst in den Sitz gedrückt |
Der Unterschied ist spürbar: Eine hohe Geschwindigkeit merkst du kaum (im ICE fühlt sich ruhig an). Eine hohe Beschleunigung dagegen sofort. Das ist .
Warum sie in der Kurvendiskussion wichtig wird
Für den Graphen bedeutet „die Steigung ändert sich" eine Krümmung:
- Wird die Steigung immer größer (), dreht die Kurve nach links. Sie ist nach oben gekrümmt.
- Wird sie immer kleiner (), dreht sie nach rechts.
Damit hast du ein Werkzeug, das allein nicht liefert. Wie du damit Hoch- und Tiefpunkte unterscheidest und findest, ist Thema der nächsten Kapitel.
Die Merkregel: verhält sich zu genau so wie zu . Es ist immer dieselbe Frage, „wie schnell ändert sich das?", nur eine Ebene höher.
Vorzeichen von f′ aus dem Graphen
Der Graph von fällt von links kommend bis zu einem bei , steigt dann bis zu einem Hochpunkt bei und fällt danach wieder. Was weißt du daraus über ?
- 1
Was die Aufgabe verlangt. Es gibt keine Funktionsgleichung, nur eine Beschreibung des Verlaufs. Trotzdem lässt sich der Ableitungsgraph vollständig charakterisieren, denn hängt nur von den von ab.
Das Vorgehen: erst die von suchen, dann die Vorzeichen dazwischen.
- 2
Schritt 1: Wo hat Nullstellen? An einem Hoch- oder Tiefpunkt ist die Tangente waagerecht, die Steigung also null. Und die Steigung ist genau der Wert von :
Der Ableitungsgraph schneidet oder berührt die -Achse also an genau diesen zwei Stellen.
- 3
Schritt 2: Die Vorzeichen in den drei Abschnitten. Die beiden Nullstellen teilen die Zahlengerade in drei Bereiche. In jedem schaust du, was dort tut:
Bereich … also … fällt (unter der Achse) steigt (über der Achse) fällt (unter der Achse) - 4
Schritt 3: Den Verlauf von beschreiben. Setze die Informationen zusammen:
kommt von unten (negativ), schneidet bei die -Achse nach oben, bleibt zwischen und positiv und schneidet bei wieder nach unten.
Die Richtung des Schnitts verrät die Art des Extrempunkts:
- Schnitt von nach → Tiefpunkt von (hier bei )
- Schnitt von nach → Hochpunkt von (hier bei )
- 5
Eine Zusatzinformation, die man leicht übersieht. Zwischen und ist positiv und hat irgendwo dort seinen größten Wert. Dort steigt am steilsten. Diese Stelle ist der von .
Und die häufigste Verwechslung: Der Hochpunkt von ist kein Hochpunkt von . Bei liegen die Extrempunkte dort, wo die Achse schneidet, nicht wo am höchsten ist.
hat Nullstellen bei und und ist negativ–positiv–negativ (in dieser Reihenfolge), spiegelbildlich zum Muster fallend–steigend–fallend von .
Das Übersetzungsrezept: waagerechte von → Nullstellen von ; steigende Bereiche → oberhalb der Achse; fallende → darunter.
Von f′ auf f schließen
Die einer Funktion ist . Was folgt daraus für und von ?
- 1
Die Richtung dieser Aufgabe. Diesmal ist die Ableitung gegeben, gesucht sind Eigenschaften der Ausgangsfunktion. Das ist die anspruchsvollere Richtung, aber mit demselben Werkzeug lösbar: dem Vorzeichen von .
- 2
Schritt 1: Nullstelle von bestimmen. Nur dort kann das Vorzeichen wechseln, und nur dort kann einen Extrempunkt haben:
Das ist der Kandidat, noch nicht die gesicherte Extremstelle.
- 3
Schritt 2: Vorzeichen links und rechts prüfen. Setze Testwerte in ein:
Übersetzt: Für ist negativ, also fällt . Für ist positiv, also steigt .
- 4
Schritt 3: Die Monotonie aufschreiben.
Beachte die Schreibweise: Monotonie gilt auf Intervallen. „ fällt bei " wäre ungenau formuliert.
- 5
Schritt 4: Die Art des Extrempunkts bestimmen. Das Vorzeichen wechselt von nach : Die Funktion fällt erst und steigt dann. Sie hat dort also ihren tiefsten Punkt.
Alternativ über : Aus folgt , nach dem Abschnitt zur zweiten Ableitung heißt das: nach oben gekrümmt, ein Tal, also ein Tiefpunkt. Dasselbe Ergebnis ✓ (Die genaue Begründung dieses -Kriteriums liefert das Extrempunkte-Kapitel.)
- 6
Zur Kontrolle: Wie sieht ungefähr aus? ist linear, also muss quadratisch sein (der Grad ist beim Ableiten um gesunken). Und weil erst fällt und dann steigt, ist es eine nach oben geöffnete mit Scheitel bei .
Was du nicht bestimmen kannst: die Höhe des Tiefpunkts. Der Ableitungsgraph verrät nichts über die -Werte, jede senkrecht verschobene Parabel hat dieselbe Ableitung.
fällt auf und steigt auf ; bei liegt ein Tiefpunkt. Die -Koordinate lässt sich aus allein nicht bestimmen.
Das Rezept: von suchen → Vorzeichen links/rechts testen → Monotonie ablesen → Art des Extrempunkts aus der Wechselrichtung bestimmen.
Typischer Fehler
„Der Graph von ist gerade auf seinem Höchststand, also ist auch dort maximal."
Verwechslung von Funktionswert und ! Am von ist die waagerecht, die Steigung also null. Dort hat eine , nicht ein Maximum. ist dort maximal, wo am steilsten ansteigt (typisch an einem ), nicht am Gipfel. Immer fragen: „Wie steil ist hier?", nicht „Wie hoch?"
Übung 1
leicht. In welchem Bereich steigt bzw. fällt , und wo liegt der ?
Tipp anzeigen
Vorzeichen von .
Lösung anzeigen
für (fällt), für (steigt).
Wechsel bei → Tiefpunkt. (Zum Beispiel bei der Normalparabel , oder jeder senkrecht verschobenen Fassung : Sie alle haben .)
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Vorzeichen von f' lesen
: negativ für , positiv für . Also fällt links von und steigt rechts davon.
- 2
Vorzeichenwechsel = Extrempunkt
Bei wechselt von nach : Fallen geht in Steigen über → TIEFPUNKT von an der Stelle .
- 3
Welche f passen dazu?
Zum Beispiel oder jede senkrecht verschobene Fassung : Sie alle haben .
Übung 2
mittelDer Graph von ist eine nach oben geöffnete mit bei und . Bestimme und Art der von .
Tipp anzeigen
Wo ist die Parabel positiv/negativ?
Lösung anzeigen
für und (außerhalb der Nullstellen), dazwischen.
Bei : → Hochpunkt. Bei : → Tiefpunkt.
steigt bis , fällt bis , steigt danach.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Das Vorzeichenprofil von f' aufstellen
ist eine nach oben geöffnete Parabel mit Nullstellen und : positiv AUSSERHALB ( und ), negativ DAZWISCHEN.
- 2
In Monotonie von f übersetzen
steigt für , fällt zwischen und , steigt wieder für .
- 3
Extrempunkte an den Wechselstellen
Bei : Wechsel → HOCHPUNKT. Bei : Wechsel → TIEFPUNKT.
Übung 3
schwerEin Auto fährt an; ist der Weg, die Geschwindigkeit. Der Graph von steigt zunächst, erreicht bei ein Maximum und fällt dann. a) Was bedeutet das Maximum von für die Bewegung? b) Was bedeutet es für ? c) Was gilt bei für die Beschleunigung ?
Tipp anzeigen
v ist selbst von s; a ist Ableitung von v.
Lösung anzeigen
a) Bei ist das Auto am schnellsten, danach wird es langsamer (aber fährt noch vorwärts, solange ).
b) steigt die ganze Zeit (denn ), bei am steilsten. Dort hat einen .
c) Die Beschleunigung ist am Maximum von gleich null (Vorzeichenwechsel ): Das Auto hört auf zu beschleunigen und beginnt zu bremsen.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
a) Das v-Maximum für die Bewegung
Bei s ist das Auto am SCHNELLSTEN. Danach wird es langsamer, fährt aber weiter vorwärts, solange bleibt.
- 2
b) Was das für s bedeutet
steigt die GANZE Zeit (denn ), bei am STEILSTEN, dort hat der -Graph einen Wendepunkt.
- 3
c) Die Beschleunigung bei t = 8
ist am Maximum von gleich NULL, mit Vorzeichenwechsel : Das Auto hört auf zu beschleunigen und beginnt zu bremsen.
Zusammenfassung
ist das Steigungs-Protokoll von : positiv beim Steigen, negativ beim Fallen, null bei waagerechten . Vorzeichenwechsel von verraten Hoch- () und Tiefpunkte () von . Dieser Blick in beide Richtungen, Graph von ↔ Graph von , ist das Fundament jeder Funktionsuntersuchung, und setzt das Spiel eine Ebene höher fort.


