Eigenschaften der Ableitungen

Von den Ableitungen interessiert oft nur das Vorzeichen des Ableitungswertes und ihre Nullstellen.

Eigenschaften der 1. Ableitung

  1. Ist $f'(x)\gt 0$, so steigt $f(x)$ (der Graph der Funktion geht nach oben).
  2. Ist $f'(x)\lt 0$, so fällt $f(x)$ (der Graph der Funktion geht nach unten).
  3. Ist $f'(x)=0$, der Graph hat keine Steigung (waagerechte Tangente).

Eigenschaften der 2. Ableitung

Die 2. Ableitung ist die Steigung der ersten Ableitung.
Sie gibt die Krümmung der Funktion an.
  1. Ist $f''(x)\gt0$, Graph ist linksgekrümmt (Linkskurve)
  2. Ist $f''(x)\lt0$, Graph ist rechtsgekrümmt
  3. Ist $f''(x)=0$, Keine Krümmung (gerades Stück, evtl. Wendepunkt)

Hoch-/Tiefpunkt

Eine Hoch- oder Tiefpunkte nennt man Extremum (Plural: Extrema).
Ein Hochpunkt liegt bei $x_0$ vor, wenn $f'(x_0)=0$ und $f'$ eine Vorzeichenwechsel (VZW) bei $x_0$ von $+$ nach $-$ macht (ungerade Nullstelle).
Ist $f''(x_0)\lt0$ macht $f'$ einen $+-$VZW (aber nicht anderherum siehe z.B. $-x^4$).
Ein Tiefpunkt liegt vor, wenn $f'(x)=0$ und $f'$ eine Vorzeichenwechsel (VZW) bei $x_0$ von $-$ nach $+$ macht (ungerade Nullstelle).
Ist $f''(x)\gt0$ macht, $f'$ einen $+-$VZW (aber nicht anderherum siehe z.B. $x^4$).
Hier wechselt die Steigung von negative nach positiv (von fallend nach steigend).
Notwendiges Kriterium für Extrema:
Hochpunkt bei $x_0$: $f'(x_0)=0$ (und VZW von $+$ nach $-$ von $f'(x_0)$)
Tiefpunkt bei $x_0$: $f'(x_0)=0$ (und VZW von $-$ nach $+$ von $f'(x_0)$)
Hinreichendes Kriterium
Hochpunkt bei $x_0$: $f'(x_0)=0$ und $f''(x_0)\lt0$😞
Tiefpunkt bei $x_0$: $f'(x_0)=0$ und $f''(x_0)\gt0$😊

Der Wendepunkt

Im Wendepunkt ändert sich die Krümmung der Funktion.
Notwendig: $f''(x)=0$
Hinreichend: notwendig und $f'''(x)\neq 0$ oder VZW von $f''$.
Hier wechselt die Krümmung bei $f'''(x)>0$ (VZW von $-$ nach $+$) von rechts- nach linksgekrümmt
und bei $f'''(x)\lt0$ (VZW von $+$ nach $-$) von links- nach rechtsgekrümmt.
Hat ein Wendepunkt eine waagerechte Tangente, so nennt man ihn Sattelpunkt.

Merkregel

N = Nullstelle
E = Extrempunkt (Hoch-/Tiefpunkt)
W = Wendepunkt
NEWin $f(x)$
NEWin $f'(x)$
NEWin $f''(x)$
  • Eine Nullstelle in $f(x)$ wird zu nichts in $f'(x)$ und $f''(x)$
  • Eine Extrempunkt in $f(x)$ wird zur Nullstelle in $f'(x)$
  • Eine Wendepunkt von $f(x)$ wird zum Extrempunkt in $f'(x)$ und wird zur Nullstelle in $f''(x)$
  • Bei einem Sattelpunkt fallen E und W zusammen, somit hat die Ableitung ein N und ein E (also keine VZW)!