Änderungsraten und Ableitungsregeln

Die mittlere Änderungsrate zeigt dir, wie stark sich eine Funktion zwischen zwei Punkten verändert. Du berechnest sie mit dem Differenzquotienten: m = $f(b)-f(a)$/$b-a$. Das ist praktisch die Steigung der Geraden zwischen zwei Punkten.

Die momentane Änderungsrate ist die Steigung an genau einem Punkt - das ist die Ableitung. Mit drei einfachen Regeln kannst du fast jede Funktion ableiten:

Potenzregel: Aus x^n wird n·x^$n-1$. Beispiel: x^8 → 8x^7 Faktorregel: Konstante Faktoren bleiben erhalten. Beispiel: 4x^3 → 12x^2
Summenregel: Du leitest jeden Term einzeln ab. Beispiel: 3x^6 + 4x^5 → 18x^5 + 20x^4

Tipp: Denk daran, dass 1/x^a = x^$-a$ und ⁿ√$x^a$ = x^$a/n$ ist!

Nullstellen finden

Nullstellen sind die x-Werte, bei denen f(x) = 0 ist. Eine Funktion vom Grad n hat höchstens n Nullstellen. Du hast vier verschiedene Strategien:

Ablesen funktioniert bei Linearfaktoren wie f(x) = -0,5·$x-3$·$x-1$²·$x+2$. Die Nullstellen sind 3, 1 und -2.

Ausklammern hilft, wenn alle Terme eine Variable enthalten: x³-2x² = x²$x-2$. Mit dem Satz vom Nullprodukt folgt: x₁ = 0, x₂ = 2.

Die p-q-Formel x₁,₂ = -p/2 ± √$(p/2)²-q$ löst quadratische Gleichungen.

Substitution vereinfacht schwierige Gleichungen: Bei x⁴-20x²+64 setzt du z = x² und löst z²-20z+64 = 0.

Merke: Der Satz vom Nullprodukt besagt: Ein Produkt ist null, wenn mindestens ein Faktor null ist!

Extremstellen bestimmen

Extremstellen sind die höchsten oder niedrigsten Punkte einer Funktion in ihrer Umgebung. Du findest sie mit einem klaren Schema:

Notwendige Bedingung: f'(x) = 0. Hier sind potentielle Extremstellen.

Hinreichende Bedingung: Prüfe f''(x) an diesen Stellen:

• f''(x) < 0 → lokales Maximum (Hochpunkt)
• f''(x) > 0 → lokales Minimum (Tiefpunkt)

Falls f''(x) = 0 ist, verwendest du das Vorzeichenkriterium: Schau, ob f'(x) das Vorzeichen wechselt. Wechsel von + nach - bedeutet Maximum, von - nach + bedeutet Minimum. Kein Wechsel bedeutet Sattelpunkt.

Praxis-Tipp: Zeichne dir eine kleine Skizze mit den Vorzeichen von f'(x) - das macht alles viel klarer!

Wendestellen und Krümmung

Wendestellen sind Punkte, wo sich das Krümmungsverhalten der Funktion ändert. Dort ist die Steigung am stärksten (positiv oder negativ).

Notwendige Bedingung: f''(x) = 0 - hier könnten Wendepunkte sein.

Hinreichende Bedingung: Prüfe f'''(x):

• f'''(x) > 0 → Rechts-Links-Wendestelle
• f'''(x) < 0 → Links-Rechts-Wendestelle

Bei f'''(x) = 0 nutzt du wieder das Vorzeichenkriterium, diesmal für f''(x). Ein Sattelpunkt ist ein spezieller Wendepunkt mit waagerechter Tangente $f'(x) = 0 und f''(x) = 0$.

Eselsbrücke: Wendepunkte erkennst du daran, dass die Kurve von "Lächeln" zu "Traurig" wechselt oder umgekehrt!

Symmetrie und Verhalten

Achsensymmetrie zur y-Achse: f$-x$ = f(x) - das haben Funktionen mit nur geraden Exponenten wie x².

Punktsymmetrie zum Ursprung: f$-x$ = -f(x) - das haben Funktionen mit nur ungeraden Exponenten wie x³.

Monotonieverhalten erkennst du an f'(x):

• f'(x) > 0 → Funktion steigt
• f'(x) < 0 → Funktion fällt

Grenzverhalten hängt vom höchsten Exponenten ab: Bei geraden Exponenten geht die Funktion nach +∞ für x→±∞, bei ungeraden nach +∞ für x→+∞ und nach -∞ für x→-∞.

Krümmungsverhalten zeigt f''(x): f''(x) > 0 bedeutet linksgekrümmt (wie ein Lächeln), f''(x) < 0 bedeutet rechtsgekrümmt.

Visualisierung hilft: Zeichne dir die Grundfunktionen x², x³ auf - dann siehst du Symmetrie und Verhalten sofort!

Funktionen transformieren

Du kannst Funktionen systematisch verschieben und strecken. Ausgangspunkt sei f(x) = x³ - x².

Y-Richtung strecken: f(x) = a$x³-x²$

• a > 1: Streckung nach oben
• 0 < a < 1: Stauchung
• a < 0: zusätzliche Spiegelung an x-Achse

Y-Richtung verschieben: f(x) = x³-x²+d verschiebt um d nach oben (d > 0) oder unten (d < 0).

X-Richtung verschieben: f(x) = $x-c$³-$x-c$² verschiebt um c nach rechts (c > 0) oder links (c < 0).

X-Richtung strecken: f(x) = (kx)³-(kx)² streckt mit Faktor 1/k. Bei k < 0 kommt eine Spiegelung an der y-Achse dazu.

Merkhilfe: Bei x-Transformationen ist alles "verkehrt herum" - $x-2$ verschiebt nach rechts, nicht links!

Funktionsscharen

Eine Funktionsschar entsteht, wenn deine Funktion neben x noch einen Parameter a enthält: fa(x) = x² + ax.

Du behandelst den Parameter wie eine normale Zahl bei allen Berechnungen. Extremstellen, Wendepunkte und andere Eigenschaften hängen dann oft vom Parameter ab.

Beispiel: fa(x) = x² + ax hat einen Tiefpunkt bei x = -a/2. Die Koordinaten des Tiefpunkts sind $-a/2 | -a²/4$.

Untersuchung von Funktionsscharen läuft genauso ab wie bei normalen Funktionen - du leitest ab, setzt gleich null und prüfst die hinreichenden Bedingungen. Der Parameter bleibt dabei als Buchstabe stehen.

Praktischer Tipp: Setze konkrete Werte für den Parameter ein, um ein Gefühl für die Schar zu bekommen!

Ortskurven

Eine Ortskurve verbindet alle charakteristischen Punkte einer Funktionsschar. Zum Beispiel liegen alle Tiefpunkte der Schar fa(x) auf einer gemeinsamen Kurve.

So bestimmst du eine Ortskurve in drei Schritten:

1. Koordinaten berechnen: Finde die Koordinaten des charakteristischen Punkts in Abhängigkeit von Parameter a.

2. Nach Parameter auflösen: Löse die x-Koordinate nach a auf.

3. Parameter eliminieren: Setze den Ausdruck für a in die y-Koordinate ein.

Das Ergebnis ist eine Gleichung nur mit x und y - das ist deine Ortskurve!

Kontrolle: Setze verschiedene a-Werte ein und prüfe, ob die entsprechenden Punkte wirklich auf deiner Ortskurve liegen!

Extremwertprobleme mit Nebenbedingungen

Extremwertprobleme kommen oft in Anwendungsaufgaben vor. Du willst etwas maximieren oder minimieren unter bestimmten Bedingungen.

Dein systematisches Vorgehen:

1. Problem verstehen - Was willst du optimieren?
2. Zielfunktion aufstellen - Was soll maximal/minimal werden?
3. Nebenbedingungen finden - Welche Einschränkungen gibt es?
4. Einsetzen - Nebenbedingung in Zielfunktion einsetzen
5. Extremwerte bestimmen - Ableiten und Nullstellen finden
6. Randwerte prüfen - Sind die Grenzen des Definitionsbereichs relevant?
7. Antwort formulieren - Zurück zum ursprünglichen Problem

Erfolgsgeheimnis: Nimm dir Zeit für Schritt 1 - wenn du das Problem nicht verstehst, wird alles andere schwierig!

Randwertuntersuchung - Beispiel

Bei der Randwertuntersuchung prüfst du nicht nur die Extremstellen im Inneren, sondern auch die Randpunkte des Intervalls.

Beispiel: f(x) = x³-2x²+4 im Intervall $-1,4$

Innere Extremstellen finden: f'(x) = 3x²-4x = 0 → x₁ = 0, x₂ = 4/3

• Bei x = 0: f''(0) = -4 < 0 → Hochpunkt
• Bei x = 4/3: f''(4/3) = 4 > 0 → Tiefpunkt

Randwerte berechnen: f(-1) = 1, f(4) = 36

Vergleichen: Der größte Wert ist f(4) = 36, also liegt das absolute Maximum bei x = 4.

Wichtig: Vergiss nie die Randwerte - oft liegen dort die absoluten Extrema!