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Notizen/Mathematik/AN 2 - Kurvendiskussion und Optimierung
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AN 2 - Kurvendiskussion und Optimierung

Monotonie, Extrema, Wendepunkte und Krümmung; Optimierungsaufgaben mit Nebenbedingungen. Setzt Thema AN 1 (Änderungsmaße, Differentialquotient und Ableitungsregeln) voraus und führt zu Thema AN 3 (Integralrechnung und Anwendungen) hin.

6 Abschnitte·~15 Min Lesezeit·3 Kompetenzen·Niveau Standard 4 · Vertiefung 2·Stand 06/2026

T·0999 / 13
Prüfungsprofil
AN 3.3 · Monotonie und Extrema bestimmenAN 3.3 · Krümmung und WendepunkteAN 3.3 · Optimierungsaufgaben mit Nebenbedingung
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Lesetiefe: Vertiefung

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Inhalt · 6 Abschnitte▾
  1. AN 2 - Kurvendiskussion und Optimierung
    • 01Monotonie und Extrema◐
    • 02Krümmung und Wendepunkte◐
    • 03Optimierung mit Nebenbedingung●
    • 04Krümmungsverhalten in Anwendungen◐
    • 05Extremwertkriterien: erste und zweite Ableitung◐
    • 06Vollständige Kurvendiskussion●
§ 01

Monotonie und Extrema#

●●○StandardLPAN-3.3

Kernpunkte

Die Kurvendiskussion beantwortet die Frage, wie ein Funktionsgraph verläuft, ohne ihn Punkt für Punkt zeichnen zu müssen - allein aus den Ableitungen. Den Anfang macht die Monotonie: ob die Funktion steigt oder fällt. Da f′f'f′ die Steigung angibt, liest man das unmittelbar am Vorzeichen von f′f'f′ ab.
Auf einem Intervall ist fff streng monoton steigend, wenn f′(x)>0f'(x)>0f′(x)>0 für alle xxx dort gilt, und streng monoton fallend, wenn f′(x)<0f'(x)<0f′(x)<0 (). Anschaulich lässt eine positive Steigung den Graphen ansteigen, eine negative ihn abfallen. Die Stellen, an denen f′f'f′ das Vorzeichen wechselt, trennen diese Bereiche voneinander.

f(x)=x³-3x mit Extrema und Wendepunkt

f(x) = x³ − 3x mit Extrema und WendepunktSchaubild von f(x) = x³ − 3x, Nullstellen bei x = -1.732, 0, 1.732, Hochpunkt bei (-1, 2), Tiefpunkt bei (1, -2), y-Achsenabschnitt bei y = 0, im Bereich x von -2.2 bis 2.2−2−112−4−224HHochpunktTTiefpunktWWendepunktf(x) = x³ − 3xf(x)x
Abb. 1Hochpunkt (−1 ∣ 2)(-1\,|\,2)(−1∣2), Tiefpunkt (1 ∣ −2)(1\,|\,-2)(1∣−2), Wendepunkt (0 ∣ 0)(0\,|\,0)(0∣0).
Genau an einem solchen Vorzeichenwechsel liegt ein lokales Extremum: Der Graph hört auf zu steigen und beginnt zu fallen (Hochpunkt) oder umgekehrt (Tiefpunkt). Die notwendige Bedingung dafür ist eine waagrechte Tangente, also f′(x)=0f'(x)=0f′(x)=0 - das liefert zunächst nur die Kandidaten.
Ob ein Kandidat Hoch- oder Tiefpunkt ist, entscheidet man auf zwei Weisen: über den Vorzeichenwechsel von f′f'f′ (von +++ nach −-− ergibt einen Hochpunkt, von −-− nach +++ einen Tiefpunkt) oder bequemer über die zweite Ableitung - f′′(x0)<0f''(x_{0})<0f′′(x0​)<0 bedeutet Hochpunkt, f′′(x0)>0f''(x_{0})>0f′′(x0​)>0 Tiefpunkt.
Ist f′′(x0)=0f''(x_{0})=0f′′(x0​)=0, liefert das Kriterium der zweiten Ableitung keine Auskunft; dann muss der Vorzeichenwechsel von f′f'f′ herangezogen werden. Findet sich dort KEIN Vorzeichenwechsel, handelt es sich um einen Sattelpunkt - eine waagrechte Tangente, aber kein Extremum.
Lokale Extrema sind nur „Gipfel und Täler" in ihrer Umgebung; das globale Maximum oder Minimum auf einem abgeschlossenen Intervall kann auch am RAND des Definitionsbereichs liegen. Bei Optimierungsaufgaben (übernächste Sektion) sind genau diese Randextrema oft entscheidend und werden leicht übersehen.
f′(x0)=0  Kandidat fu¨r Extremum;  Klassifikation u¨ber  f′′(x0)f'(x_{0})=0\;\text{Kandidat für Extremum;}\;\text{Klassifikation über}\;f''(x_{0})f′(x0​)=0Kandidat fu¨r Extremum;Klassifikation u¨berf′′(x0​)

Notwendige Bedingung und Klassifikation der Extrema

Musterbeispiel

Vollständige Extremwertanalyse

Bestimme die Extrema von f(x)=x3−3xf(x)=x^{3}-3xf(x)=x3−3x.

  1. 01Erste Ableitung

    f′(x)=3x2−3f'(x)=3x^{2}-3f′(x)=3x2−3.

  2. 02Nullstellen

    3x2−3=0⇒x=±13x^{2}-3=0\Rightarrow x=\pm 13x2−3=0⇒x=±1.

  3. 03Zweite Ableitung

    f′′(x)=6xf''(x)=6xf′′(x)=6x; f′′(1)=6>0f''(1)=6>0f′′(1)=6>0 -> Minimum, f′′(−1)=−6<0f''(-1)=-6<0f′′(−1)=−6<0 -> Maximum.

  4. 04Funktionswerte

    f(1)=−2f(1)=-2f(1)=−2, f(−1)=2f(-1)=2f(−1)=2.

Ergebnis: Hochpunkt (−1 ∣ 2)(-1\,|\,2)(−1∣2), Tiefpunkt (1 ∣ −2)(1\,|\,-2)(1∣−2).

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte
  1. 1

    Die erste Ableitung zeigt dir, ob die Funktion steigt oder fällt.

  2. 2

    Setze die Ableitung Null, um Kandidaten für Extrema zu finden.

  3. 3

    Klassifiziere mit der zweiten Ableitung oder durch Vorzeichenwechsel.

Maturafokus

  • Vorzeichentabelle der ersten Ableitung ist Standardwerkzeug.
  • Bei Anwendungsaufgaben Grenzfälle (Randextrema) nicht vergessen.
  • CAS-Lösung muss mit Argumentation untermauert werden.

Typische Fehler

  • Notwendige Bedingung mit hinreichender verwechselt.
  • Vorzeichen der zweiten Ableitung falsch interpretiert.
  • Randwerte des Definitionsbereichs übersehen.

Aktive Wiederholung

Bestimme alle Extrempunkte von f(x)=13x3−x2−3x+5f(x)=\tfrac{1}{3}x^{3}-x^{2}-3x+5f(x)=31​x3−x2−3x+5 und klassifiziere sie.

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: IQS Monotonie und Extrema (IQS)

§ 02

Krümmung und Wendepunkte#

●●○StandardLPAN-3.3

Kernpunkte

Die Monotonie sagt, OB der Graph steigt; die Krümmung sagt, WIE er dabei gebogen ist - ob er sich nach oben oder unten wölbt. Das Maß dafür ist die zweite Ableitung, denn sie beschreibt, wie sich die Steigung f′f'f′ selbst verändert.
Ist f′′(x)>0f''(x)>0f′′(x)>0, nimmt die Steigung zu und der Graph ist linksgekrümmt (konvex, wie eine Tasse); ist f′′(x)<0f''(x)<0f′′(x)<0, nimmt die Steigung ab und der Graph ist rechtsgekrümmt (konkav, wie eine Glocke). Diese Zuordnung muss man sicher beherrschen, denn sie wird gern verwechselt.
Ein Wendepunkt ist eine Stelle, an der die Krümmung umschlägt - von links nach rechts oder umgekehrt. Notwendige Bedingung ist f′′(x0)=0f''(x_{0})=0f′′(x0​)=0; hinreichend ist zusätzlich f′′′(x0)≠0f'''(x_{0})\neq 0f′′′(x0​)=0 (oder ein Vorzeichenwechsel von f′′f''f′′), der den echten Wechsel sichert und einen bloßen Berührpunkt ausschließt.
Die Wendetangente ist die Gerade durch den Wendepunkt (x0 ∣ f(x0))(x_{0}\,|\,f(x_{0}))(x0​∣f(x0​)) mit der Steigung f′(x0)f'(x_{0})f′(x0​). Anschaulich ist der Wendepunkt der „Punkt stärkster Änderung": In Anwendungen markiert er oft das Beschleunigungsmaximum oder die Stelle minimaler Grenzkosten, bei logistischem Wachstum die Stelle maximaler Wachstumsgeschwindigkeit.
Bei punktsymmetrischen (ungeraden) Polynomen wie x3x^{3}x3 liegt der Wendepunkt im Symmetriezentrum, hier bei 000. Achsensymmetrische (gerade) Polynome haben ihre Wendepunkte im Allgemeinen NICHT auf der Symmetrieachse, sondern paarweise spiegelbildlich zu ihr.
Krümmung und Wendepunkte ergänzen Monotonie und Extrema zum vollständigen Bild eines Graphen: Die erste Ableitung liefert das „Auf und Ab", die zweite die „Wölbung". Genau diese Bausteine fügt die letzte Sektion zur kompletten Kurvendiskussion zusammen.
f′′(x0)=0  und  f′′′(x0)≠0  ⇒  Wendepunktf''(x_{0})=0\;\text{und}\;f'''(x_{0})\neq 0\;\Rightarrow\;\text{Wendepunkt}f′′(x0​)=0undf′′′(x0​)=0⇒Wendepunkt

Wendepunkt-Kriterium

Musterbeispiel

Wendepunkt einer Logistikkurve

Bestimme den Wendepunkt von f(x)=1001+e−xf(x)=\tfrac{100}{1+\mathrm{e}^{-x}}f(x)=1+e−x100​.

  1. 01Strukturidee

    Logistische Funktion ist symmetrisch zum Wendepunkt, der genau in der Mitte zwischen 000 und 100100100 liegt.

  2. 02Wendepunkt aus Symmetrie

    Wendepunkt bei x=0x=0x=0, f(0)=50f(0)=50f(0)=50.

  3. 03Steigung im Wendepunkt

    f′(0)=100⋅e0(1+1)2=25f'(0)=\tfrac{100\cdot \mathrm{e}^{0}}{(1+1)^{2}}=25f′(0)=(1+1)2100⋅e0​=25.

Ergebnis: Wendepunkt W(0 ∣ 50)W(0\,|\,50)W(0∣50); Wendetangente t(x)=25x+50t(x)=25x+50t(x)=25x+50.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte
  1. 1

    Die zweite Ableitung sagt dir, ob der Graph nach oben oder nach unten gekrümmt ist.

  2. 2

    Wendepunkte trennen Linkskrümmung von Rechtskrümmung.

  3. 3

    Die Wendetangente liefert die Linie, an der sich die Krümmung dreht.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Diskutiere f(x)=x4−4x2+3f(x)=x^{4}-4x^{2}+3f(x)=x4−4x2+3 vollständig: Nullstellen, Extrema, Wendepunkte und Symmetrie.

Maturafokus

  • Wendetangente wird in Optimierungs- oder Modellierungsaufgaben gebraucht.
  • Krümmungsverhalten qualitativ aus dem Graphen ableiten können.
  • Hinreichende Bedingung explizit prüfen, um Sattelpunkte auszuschliessen.

Typische Fehler

  • Wendepunkt verwechselt mit Sattelpunkt.
  • Hinreichende Bedingung mit Prüfung von f′′′f'''f′′′ vergessen.
  • Krümmungsverhalten umgedreht (konvex/konkav).

Aktive Wiederholung

Bestimme alle Wendepunkte und Wendetangenten von f(x)=x4−6x2f(x)=x^{4}-6x^{2}f(x)=x4−6x2.

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: IQS Wendepunkte (IQS)

§ 03

Optimierung mit Nebenbedingung#

●●●VertiefungLPAN-3.3

Kernpunkte

Optimierungsaufgaben sind die wichtigste Anwendung der Differentialrechnung: Eine Zielgröße - Volumen, Fläche, Kosten oder Gewinn - soll möglichst groß oder klein werden, während eine Nebenbedingung die Mittel beschränkt (etwa ein fester Materialeinsatz). Mathematisch heißt das, ein Extremum einer Zielfunktion zu suchen.
Die Standardstrategie hat vier Schritte: die Zielgröße als Funktion aufstellen, sie mit der Nebenbedingung auf EINE Variable reduzieren, ableiten und f′=0f'=0f′=0 lösen, schließlich das Extremum klassifizieren und im Kontext deuten. Der entscheidende Schritt ist die Reduktion - ohne Einsetzen der Nebenbedingung bleibt die Zielfunktion mehrvariabel und ist so nicht ableitbar.
Die Nebenbedingung ist die Gleichung, die die Variablen koppelt - etwa „Umfang =60=60=60 m" oder „Volumen =1=1=1 Liter". Man löst sie nach einer Variablen auf und setzt sie in die Zielfunktion ein, sodass dort nur noch eine einzige Unbekannte verbleibt.
Vor dem Ableiten klärt man den sinnvollen Definitionsbereich: Längen, Flächen und Stückzahlen sind positiv, sodass etwa 0<x<150<x<150<x<15 gelten kann. Negative oder unphysikalische Lösungen werden verworfen - ein häufiger Punkteverlust entsteht durch das Übernehmen einer mathematisch korrekten, im Kontext aber unmöglichen Lösung.
Dass die gefundene Stelle wirklich das gesuchte Maximum bzw. Minimum ist, sichert man über die zweite Ableitung oder einen Vorzeichenwechsel ab - und prüft die RANDWERTE des Definitionsbereichs, denn das globale Optimum kann am Rand liegen. Bei der klassischen Schachtelaufgabe etwa liefern die Ränder das Volumen 000.
Zum Schluss gehört das Ergebnis in den Sachkontext zurückübersetzt, mit Einheiten und einer klaren Aussage. Bemerkenswert oft ist die optimale Lösung besonders symmetrisch - beim Beet mit festem Umfang etwa das Quadrat. Optimierung verbindet damit Modellieren, Ableiten und Interpretieren zur typischen Typ-2-Maturaaufgabe.
V(x)=l⋅b⋅h  mit Nebenbedingung  l=l(x),b=b(x),h=h(x)V(x)=l\cdot b\cdot h\;\text{mit Nebenbedingung}\;l=l(x), b=b(x), h=h(x)V(x)=l⋅b⋅hmit Nebenbedingungl=l(x),b=b(x),h=h(x)

Volumsfunktion mit substituierten Variablen

Musterbeispiel

Schachtelvolumen maximieren

Karton 30×4030\times 4030×40; Ecken x×xx\times xx×x schneiden, Wand h=xh=xh=x. Volumen maximieren.

  1. 01Volumsfunktion

    V(x)=(40−2x)(30−2x) xV(x)=(40-2x)(30-2x)\,xV(x)=(40−2x)(30−2x)x für 0<x<150<x<150<x<15.

  2. 02Erste Ableitung

    V′(x)=12x2−280x+1200V'(x)=12x^{2}-280x+1200V′(x)=12x2−280x+1200.

  3. 03Nullstellen

    Lösung der quadratischen Gleichung: x1≈5,66x_{1}\approx 5{,}66x1​≈5,66, x2≈17,66x_{2}\approx 17{,}66x2​≈17,66 (ausserhalb).

  4. 04Prüfen

    V(5,66)≈3032,3V(5{,}66)\approx 3032{,}3V(5,66)≈3032,3 cm3^{3}3; V(0)=V(15)=0V(0)=V(15)=0V(0)=V(15)=0.

Ergebnis: Optimaler Schnitt x≈5,66x\approx 5{,}66x≈5,66 cm liefert maximales Volumen ≈3032\approx 3032≈3032 cm3^{3}3.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte
  1. 1

    Beschreibe Zielgröße und Nebenbedingung in eigenen Worten.

  2. 2

    Drücke die Zielfunktion in einer einzigen Variable aus.

  3. 3

    Prüfe Maximum oder Minimum und interpretiere im Sachzusammenhang.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank4 Punkte

Aufgabenstellung

Aus einem rechteckigen Beet soll mit 606060 m Zaun ein maximales Flächeninhalt geschaffen werden. Bestimme Länge und Breite.

Maturafokus

  • Maturaaufgaben verlangen klar formulierte Zielfunktion mit Begründung.
  • Endgültiges Ergebnis im Kontext interpretieren (Einheiten, Sinn).
  • Prüfe das gefundene Extremum gegen Randwerte des Definitionsbereichs.

Typische Fehler

  • Nebenbedingung nicht eingesetzt; Funktion mit zwei Variablen abgeleitet.
  • Randextrema vergessen.
  • Negative Lösung übernommen, obwohl Kontext positiv erfordert.

Aktive Wiederholung

Aus einem 30×4030\times 4030×40 cm-Karton sollen an den Ecken Quadrate ausgeschnitten und ein Schachtelboden gefaltet werden. Wie gross muss die Quadratseite xxx sein, damit das Volumen maximal wird?

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: Mathago Optimierung (Mathago)

§ 04

Krümmungsverhalten in Anwendungen#

●●○StandardLPAN-3.3

Kernpunkte

In Anwendungen ist nicht nur der Wert einer Größe interessant, sondern auch, ob sie immer schneller oder immer langsamer wächst - genau das beschreibt die zweite Ableitung im Sachkontext. Sie macht aus einer abstrakten Krümmung eine inhaltliche Aussage über die Dynamik eines Prozesses.
In Wirtschaftsmodellen entspricht der Wendepunkt der Kostenfunktion der Stelle minimaler Grenzkosten: Bis dahin sinken die Zusatzkosten je Einheit, danach steigen sie wieder. Die zweite Ableitung der Kostenfunktion wechselt an dieser Stelle ihr Vorzeichen.
In der Physik ist die zweite Ableitung des Weges die Beschleunigung; ihr Vorzeichen sagt, ob ein Objekt schneller oder langsamer wird. Ein Wendepunkt im Geschwindigkeitsverlauf markiert die Stelle der stärksten Beschleunigung.
In Wachstumsmodellen kennzeichnen Wendepunkte die Phase maximaler Wachstumsgeschwindigkeit - bei logistischem Wachstum genau die Mitte zwischen Start und Sättigung. Modelle, die monoton OHNE Wendepunkt verlaufen, beschreiben Sättigungsprozesse schlecht, weil ihnen dieser Umschlagpunkt fehlt.
Beim Vergleich von Modellen muss die zweite Ableitung das Vorzeichen klar erkennen lassen: Ein konvexer Verlauf (f′′>0f''>0f′′>0) beschleunigt die Entwicklung, ein konkaver (f′′<0f''<0f′′<0) bremst sie. Diese qualitative Lesart der Krümmung ist in der Matura oft schon die halbe Antwort.
Eine reine Rechenantwort genügt hier nicht: Gefragt ist die Verknüpfung von Mathematik und Kontext - etwa „der Wendepunkt bedeutet, dass die Kosten ab hier wieder stärker steigen". Genau diese interpretative Tiefe trennt die volle von der halben Punktezahl und leitet zur vollständigen Kurvendiskussion über.
Musterbeispiel

Stelle minimaler Grenzkosten

Eine Kostenfunktion lautet K(x)=0,01x3−0,5x2+8x+100K(x)=0{,}01x^{3}-0{,}5x^{2}+8x+100K(x)=0,01x3−0,5x2+8x+100. Bestimme die Stelle minimaler Grenzkosten und interpretiere sie.

  1. 01Grenzkostenfunktion

    Die Grenzkosten sind die Ableitung der Kosten: K′(x)=0,03x2−x+8K'(x)=0{,}03x^{2}-x+8K′(x)=0,03x2−x+8.

  2. 02Minimum der Grenzkosten

    Notwendige Bedingung K′′(x)=0K''(x)=0K′′(x)=0: 0,06x−1=0⇒x=10,06≈16,70{,}06x-1=0\Rightarrow x=\dfrac{1}{0{,}06}\approx 16{,}70,06x−1=0⇒x=0,061​≈16,7.

  3. 03Absichern

    K′′′(x)=0,06>0K'''(x)=0{,}06>0K′′′(x)=0,06>0, also liegt tatsächlich ein Minimum der Grenzkosten vor (zugleich der Wendepunkt von KKK).

  4. 04Deutung

    Bei etwa x≈16,7x\approx 16{,}7x≈16,7 Einheiten sind die Grenzkosten am niedrigsten; davor sinken sie, danach steigen sie wieder.

Ergebnis: Minimale Grenzkosten bei x≈16,7x\approx 16{,}7x≈16,7 (Wendepunkt der Kostenfunktion).

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte
  1. 1

    Wendepunkte sagen dir, wo eine Änderungsrate ihr Extremum erreicht.

  2. 2

    In Anwendungen entspricht das oft dem Beschleunigungsmaximum oder den minimalen Grenzkosten.

  3. 3

    Beziehe Mathematik und Kontext immer aufeinander, sonst geht ein Teil der Punkte verloren.

Maturafokus

  • Interpretation der zweiten Ableitung in Sachkontext oft punkterelevant.
  • Wendepunkt als "Wendepunkt der Wachstumsgeschwindigkeit" formulieren.
  • Wechsel zwischen konvex und konkav klar benennen.

Typische Fehler

  • Wendepunkt als Extremum interpretiert.
  • Bedeutung der zweiten Ableitung als Geschwindigkeit verwechselt.
  • Reflexion fehlt - reine Rechenantwort gibt keine vollen Punkte.

Aktive Wiederholung

Eine Kostenfunktion lautet K(x)=0,01x3−0,5x2+8x+100K(x)=0{,}01x^{3}-0{,}5x^{2}+8x+100K(x)=0,01x3−0,5x2+8x+100. Bestimme die Stelle minimaler Grenzkosten und interpretiere sie.

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: IQS Anwendungen Differentialrechnung (IQS)

§ 05

Extremwertkriterien: erste und zweite Ableitung#

●●○StandardLPAN-3.1LPAN-3.2

Kernpunkte

Diese Sektion bündelt die Kriterien, mit denen man entscheidet, ob und welche Art von Extremum an einer Stelle vorliegt - das logische Rückgrat jeder Kurvendiskussion. Entscheidend ist die saubere Trennung zwischen notwendiger und hinreichender Bedingung.
Notwendig für ein lokales Extremum im Inneren des Definitionsbereichs ist eine waagrechte Tangente: f′(x0)=0f'(x_{0})=0f′(x0​)=0. „Notwendig" heißt, dass jedes Extremum dies erfüllt - aber nicht jede Stelle mit f′=0f'=0f′=0 ist ein Extremum (Gegenbeispiel: der Sattelpunkt). Daher liefert f′(x)=0f'(x)=0f′(x)=0 zunächst nur Kandidaten.
Das Vorzeichenwechselkriterium der ersten Ableitung ist das verlässlichste: Wechselt f′f'f′ an x0x_{0}x0​ von +++ nach −-−, liegt ein Hochpunkt vor; von −-− nach +++ ein Tiefpunkt; bleibt das Vorzeichen gleich, ein Sattelpunkt. Es funktioniert immer, auch wenn die zweite Ableitung null wird.
Bequemer ist oft das Kriterium der zweiten Ableitung: Bei f′(x0)=0f'(x_{0})=0f′(x0​)=0 und f′′(x0)<0f''(x_{0})<0f′′(x0​)<0 liegt ein Hochpunkt, bei f′′(x0)>0f''(x_{0})>0f′′(x0​)>0 ein Tiefpunkt vor. Es nutzt die Krümmung - eine Rechtskurve am stationären Punkt bildet einen Gipfel, eine Linkskurve ein Tal.
Ist f′′(x0)=0f''(x_{0})=0f′′(x0​)=0, versagt das zweite Kriterium und gibt keine Auskunft. Dann muss man auf das Vorzeichenwechselkriterium der ersten Ableitung zurückgreifen. Genau hier liegt die häufigste Fehlerquelle: vorschnell auf „kein Extremum" zu schließen, obwohl ein Vorzeichenwechsel sehr wohl vorliegt.
Eine waagrechte Tangente OHNE Vorzeichenwechsel von f′f'f′ kennzeichnet einen Sattelpunkt (Terrassenpunkt): Der Graph wird kurz flach, steigt aber in derselben Richtung weiter - wie x3x^{3}x3 im Ursprung. Mit diesen Kriterien lässt sich jeder Kandidat sicher einordnen - der Kern der vollständigen Kurvendiskussion.
f′(x0)=0,  f′′(x0)<0  ⇒  Hochpunkt;f′′(x0)>0  ⇒  Tiefpunktf'(x_{0})=0,\;f''(x_{0})<0\;\Rightarrow\;\text{Hochpunkt};\quad f''(x_{0})>0\;\Rightarrow\;\text{Tiefpunkt}f′(x0​)=0,f′′(x0​)<0⇒Hochpunkt;f′′(x0​)>0⇒Tiefpunkt

Kriterium der zweiten Ableitung

Musterbeispiel

Extrema klassifizieren

Bestimme und klassifiziere die Extrema von f(x)=x3−3xf(x)=x^{3}-3xf(x)=x3−3x.

  1. 01Erste Ableitung

    f′(x)=3x2−3=0⇒x=±1f'(x)=3x^{2}-3=0\Rightarrow x=\pm 1f′(x)=3x2−3=0⇒x=±1.

  2. 02Zweite Ableitung

    f′′(x)=6xf''(x)=6xf′′(x)=6x; f′′(1)=6>0f''(1)=6>0f′′(1)=6>0, f′′(−1)=−6<0f''(-1)=-6<0f′′(−1)=−6<0.

  3. 03Klassifikation

    Tiefpunkt bei x=1x=1x=1, Hochpunkt bei x=−1x=-1x=−1.

Ergebnis: Hochpunkt H(−1 ∣ 2)H(-1\,|\,2)H(−1∣2), Tiefpunkt T(1 ∣ −2)T(1\,|\,{-2})T(1∣−2).

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte
  1. 1

    Eine waagrechte Tangente ist notwendig, aber nicht hinreichend für ein Extremum.

  2. 2

    Das Vorzeichen der zweiten Ableitung trennt Hoch- von Tiefpunkten.

  3. 3

    Bei verschwindender zweiter Ableitung entscheidet der Vorzeichenwechsel der ersten Ableitung.

Maturafokus

  • Kandidaten über f′(x)=0f'(x)=0f′(x)=0 bestimmen und mit einem Kriterium klassifizieren.
  • Hoch- und Tiefpunkt klar benennen und begründen.
  • Sattelpunkt vom Extremum unterscheiden.

Typische Fehler

  • Nullstellen der ersten Ableitung ohne Klassifikation als Extrema deklariert.
  • Vorzeichen der zweiten Ableitung falsch gedeutet.
  • Sattelpunkt als Extremum gewertet.

Aktive Wiederholung

Bestimme die lokalen Extrema von f(x)=x3−3xf(x)=x^{3}-3xf(x)=x3−3x und klassifiziere sie mit der zweiten Ableitung.

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: IQS Kurvendiskussion AHS (IQS)

§ 06

Vollständige Kurvendiskussion#

●●●VertiefungLPAN-3.1LPAN-3.2LPAN-3.3

Kernpunkte

Die vollständige Kurvendiskussion fügt alle Einzelwerkzeuge zu einem festen Untersuchungsprogramm zusammen: Aus der Funktionsgleichung allein gewinnt man ein komplettes, in sich stimmiges Bild des Graphen. Sie ist die klassische Typ-2-Aufgabe und folgt einem reproduzierbaren Ablauf.
Der Ablauf lautet: Definitionsbereich, dann Achsenschnittpunkte (Null- und yyy-Achsenschnitt), Symmetrie, Extrema und Monotonie über f′f'f′, Wendepunkte und Krümmung über f′′f''f′′, Verhalten im Unendlichen und schließlich die Skizze. Jeder Schritt baut auf den vorigen auf.
Den Einstieg bilden Definitionsbereich und Achsenschnittpunkte: die Nullstellen aus f(x)=0f(x)=0f(x)=0, der yyy-Achsenschnitt aus f(0)f(0)f(0). Bei Polynomen ist der Definitionsbereich ganz R\mathbb{R}R; bei gebrochen-rationalen oder Wurzelfunktionen sind zuerst die Definitionslücken zu klären.
Extrema und Monotonie folgen aus der ersten Ableitung (f′(x)=0f'(x)=0f′(x)=0, dann klassifizieren), Wendepunkte und Krümmung aus der zweiten (f′′(x)=0f''(x)=0f′′(x)=0, dann f′′′f'''f′′′ prüfen). Für f(x)=x3−3x2f(x)=x^{3}-3x^{2}f(x)=x3−3x2 etwa ergeben sich die Nullstellen 000 (doppelt) und 333, der Hochpunkt H(0 ∣ 0)H(0\,|\,0)H(0∣0), der Tiefpunkt T(2 ∣ −4)T(2\,|\,{-4})T(2∣−4) und der Wendepunkt W(1 ∣ −2)W(1\,|\,{-2})W(1∣−2) ().

f(x)=x³-3x² - Extrema und Wendepunkt

f(x) = x³ − 3x² — Extrema und WendepunktSchaubild von f(x) = x³ − 3x², Nullstellen bei x = 3, Hochpunkt bei (0, 0), Tiefpunkt bei (2, -4), y-Achsenabschnitt bei y = 0, im Bereich x von -1.2 bis 3.7−1123−5510H(0, 0)T(2, −4)W(1, −2)Nx = 3f(x) = x³ − 3x²f(x)x
Abb. 2Hochpunkt H(0 ∣ 0)H(0\,|\,0)H(0∣0), Tiefpunkt T(2 ∣ −4)T(2\,|\,{-4})T(2∣−4), Wendepunkt W(1 ∣ −2)W(1\,|\,{-2})W(1∣−2), Nullstellen bei 000 und 333.
Das Verhalten für betragsgroße xxx beschreibt den Verlauf der Äste: Bei Polynomen bestimmt der Term höchsten Grades das Grenzverhalten (bei x3x^{3}x3 läuft der Graph von −∞-\infty−∞ nach +∞+\infty+∞), bei gebrochen-rationalen Funktionen treten Asymptoten auf. Damit ist geklärt, „wohin" der Graph strebt.
Aus allen Ergebnissen entsteht zuletzt eine konsistente Skizze - die Probe aufs Exempel: Passen Extrema, Wendepunkt und Grenzverhalten zusammen, ist die Diskussion stimmig (). Die Kurvendiskussion ist damit die Synthese der gesamten Differentialrechnung und zugleich die Brücke zur Integralrechnung, die Flächen unter genau diesen Graphen bestimmt.
f′(x)=0  (Extrema),f′′(x)=0  (Wendepunkte)f'(x)=0\;(\text{Extrema}),\quad f''(x)=0\;(\text{Wendepunkte})f′(x)=0(Extrema),f′′(x)=0(Wendepunkte)

Schlüsselgleichungen der Kurvendiskussion

Musterbeispiel

Kurvendiskussion eines kubischen Terms

Diskutiere f(x)=x3−3x2f(x)=x^{3}-3x^{2}f(x)=x3−3x2 (Nullstellen, Extrema, Wendepunkt).

  1. 01Nullstellen

    x2(x−3)=0⇒x=0x^{2}(x-3)=0\Rightarrow x=0x2(x−3)=0⇒x=0 (doppelt) und x=3x=3x=3.

  2. 02Extrema

    f′(x)=3x2−6x=3x(x−2)=0⇒x=0f'(x)=3x^{2}-6x=3x(x-2)=0\Rightarrow x=0f′(x)=3x2−6x=3x(x−2)=0⇒x=0 und x=2x=2x=2; f′′(x)=6x−6f''(x)=6x-6f′′(x)=6x−6 liefert Hochpunkt bei x=0x=0x=0, Tiefpunkt bei x=2x=2x=2.

  3. 03Wendepunkt

    f′′(x)=6x−6=0⇒x=1f''(x)=6x-6=0\Rightarrow x=1f′′(x)=6x−6=0⇒x=1, Wendepunkt W(1 ∣ −2)W(1\,|\,{-2})W(1∣−2).

Ergebnis: Nullstellen 000 und 333, Hochpunkt H(0 ∣ 0)H(0\,|\,0)H(0∣0), Tiefpunkt T(2 ∣ −4)T(2\,|\,{-4})T(2∣−4), Wendepunkt W(1 ∣ −2)W(1\,|\,{-2})W(1∣−2).

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte
  1. 1

    Beginne jede Kurvendiskussion mit Definitionsbereich und Achsenschnittpunkten.

  2. 2

    Die erste Ableitung liefert Extrema und Monotonie, die zweite Wendepunkte und Krümmung.

  3. 3

    Führe alle Ergebnisse zu einer konsistenten Skizze zusammen.

Maturafokus

  • Den Ablauf einer Kurvendiskussion vollständig und in sinnvoller Reihenfolge durchführen.
  • Ergebnisse zu einer stimmigen Skizze zusammenführen.
  • Symmetrie und Grenzverhalten nicht vergessen.

Typische Fehler

  • Wendepunkte vergessen oder mit Extrema verwechselt.
  • Skizze passt nicht zu den berechneten Eigenschaften.
  • Definitionsbereich nicht zu Beginn geklärt.

Aktive Wiederholung

Führe eine vollständige Kurvendiskussion von f(x)=x3−3x2f(x)=x^{3}-3x^{2}f(x)=x3−3x2 durch.

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: Mathago Kurvendiskussion (Mathago)

Inhalt

Abschnitt -- / 06

    • 01Monotonie und Extrema◐
    • 02Krümmung und Wendepunkte◐
    • 03Optimierung mit Nebenbedingung●
    • 04Krümmungsverhalten in Anwendungen◐
    • 05Extremwertkriterien: erste und zweite Ableitung◐
    • 06Vollständige Kurvendiskussion●

0/6 Gelesen

Aus den Notizen ins Training

AN 2 - Kurvendiskussion und Optimierung

Festige dieses Thema an passenden Aufgaben aus der Fragenbank.

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Beispielfrage

Diskutiere f(x)=x4−4x2+3f(x)=x^{4}-4x^{2}+3f(x)=x4−4x2+3 vollständig: Nullstellen, Extrema, Wendepunkte und Symmetrie.

5 BE · 2017

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Belege & Quellen

Quellen

IQS

  • IQS Monotonie und Extrema

Mathago

  • Mathago Optimierung

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