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Theoretisch gründen sich alle vier Methoden zur
Extremstellenberechnung auf das notwendige
und auf das hinreichende Kriterium für ein Extremum. Die beiden
Kriterien lernten wir im
zweiten Kapitel kennen.
Zuerst wendet man immer das notwendige Kriterium an, d.h.
man ermittelt die Nullstellen
der 1.Ableitung. Man nennt die Nullstellen der
1.Ableitung auch die kritischen Stellen, da
an ihnen entweder Extremstellen oder Sattelstellen vorliegen.
Dann wendet man das hinreichende Kriterium an, um zwischen
Extremstellen und Sattelstellen
zu unterscheiden. Dazu prüft man, ob die 1.Ableitung an den
kritischen Stellen einen
Vorzeichenwechsel vollzieht (Extremum liegt vor) oder ob sie das
Vorzeichen
nicht wechselt (Sattelpunkt liegt vor).
Um praktisch zu prüfen, ob die 1.Ableitung (an den kritischen Stellen)
einen Vorzeichenwechsel
vollführt (d.h. ob ein Extrem vorliegt), gibt es vier Methoden, die wir
im Kapitel 3 kennen gelernt haben.
Die in der Schulmathematik am meisten angewandte Methode zur
Extremstellenberechnung
ist die Methode der Untersuchung der 2.Ableitung: Ist
die 2.Ableitung an den kritischen Punkten
positiv, so liegt ein Minimum vor, ist sie negativ, so liegt
ein Maximum vor. Die Methode führt
allerdings zu keinem Ergebnis, wenn die 2.Ableitung (an den
kritischen Stellen) den Wert Null hat.
In diesem Fall kann sowohl ein Extremum als auch ein
Sattelpunkt vorliegen.
Die soeben vorgestellte Methode der 2.Ableitung ist ein Spezialfall der
Methode der
"Ermittlung der ersten nichtverschwindenden Ableitung", die
wir jetzt vorstellen wollen.
Die Methode kann dann angewendet werden, wenn die Methode der
"Untersuchung
der 2.Ableitung" versagt, d.h. wenn die 2.Ableitung an einem
kritischen Punkt gleich Null ist.
Die Methode funktioniert so:
Man leitet die Funktion solange ab, bis man eine Ableitung
findet, die an der kritischen
Stelle ungleich Null ist. Ist diese Ableitung eine gerade
Ableitung (z.B. 2, 4, 6, 8.Ableitung),
so liegt ein Extremum vor, ist es eine ungerade Ableitung, so
liegt ein Sattelpunkt vor. Genauer:
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Erste (an der
kritischen Stelle) nichtverschwindende Ableitung |
Art der
kritischen Stelle |
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gerade und (an der
kritischen Stelle) positiv |
Minimum |
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gerade und (an der
kritischen Stelle) negativ |
Maximum |
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ungerade und (an der
kritischen Stelle) positiv |
Sattel ansteigend |
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ungerade und (an der
kritischen Stelle) negativ |
Sattel fallend |
Eine ganz andere Methode zur Extremstellenberechnung ist die
Tabellenmethode.
Bei dieser Methode wird das hinreichende Kriterium für ein
Extemum
(d.h. der Vorzeichenwechsel der 1.Ableitung) dadurch
bestimmt, dass man
den Wert der 1.Ableitung sowohl vor als auch nach der
kritischen Stelle bestimmt:
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Vorzeichen der
ersten Ableitung |
Art der
kritischen Stelle |
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wechselt von Minus nach Plus |
Minimum |
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wechselt von Plus nach Minus |
Maximum |
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bleibt positiv |
Sattel ansteigend |
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bleibt negativ |
Sattel fallend |
Vorteil der Methode: Bei dieser Methode
müssen keine Ableitung gebildet werden, außer
natürlich die 1.Ableitung, die zur Bestimmung der kritischen
Punkte gebraucht wird.
Nachteil: Bei der Methode müssen zuvor die Pole der
Funktion bestimmt werden, da sich an
ihnen die Steigung der Funktion und somit das Vorzeichen der
1.Ableitung ändern kann.
Praktisch geht man bei der Tabellenmethode so vor:
A: Man trägt alle kritischen Punkte und alle Pole in eine
Tabelle ein
B: Man wählt geeignete Stellen vor und nach den kritischen
Punkten aus, wobei man darauf
achten muß, dass keine
Unstetigkeitsstelle (Pol) zwischen gewählter Stelle und kritischer
Stelle liegt.
C: Man berechnet den Wert der 1.Ableitung an den gewählten
Stellen
D: Man überprüft ob ein Vorzeichenwechsel stattfand
(siehe Tabelle oben)
Eine Abwandlung der Tabellenmethode ist die Grenzwertmethode. Bei dieser
Methode wird
das hinreichende Kriterium für ein Extemum (d.h. der
Vorzeichenwechsel der 1.Ableitung)
dadurch bestimmt, dass man den linksseitigen und den
rechtsseitigen Grenzwert der
1.Ableitung an den kritischen Stelle bestimmt.
Vorteil 1: Pole brauchen nicht mehr ermittelt werden,
da das Vorzeichen der 1.Ableitung
an einer unendlich nah an der kritischen Stelle liegenden
Stelle bestimmt wird, und so
kein Pol zwischen kritischer Stelle und gewählter Stelle
liegen kann.
Vorteil 2: Wie bei der Tabellenmethode brauchen keine
höheren Ableitungen gebildet werden.
Nachteil: Man muß Grenzwerte berechnen.
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