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Mathe Kurvendiskussion Monotonieverhalten

Monotonieverhalten

Als Monotonieverhalten bezeichnet man das Steigungsverhalten einer Funktion. Dieses gibt Auskunft darüber, wann eine Funktion steigt oder fällt.

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Allgemein

Eine Funktion ist für zwei Stellen $x_1$ und $x_2$ mit $x_1 < x_2$

  • monoton steigend, wenn $f(x_1)\le f(x_2)$
  • monoton fallend, wenn $f(x_1)\ge f(x_2)$
  • streng monoton steigend, wenn $f(x_1)< f(x_2)$
  • streng monoton fallend, wenn $f(x_1)> f(x_2)$
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Merke

Man kann auch mit der Ableitung das Monotonieverhalten in einem Intervall bestimmen.

Die Funktion ist auf dem Intervall $I$ differenzierbar und

  • monoton steigend, wenn für alle $x\in I$ gilt $f'(x)\ge0$
  • monoton fallend, wenn für alle $x\in I$ gilt $f'(x)\le0$
  • streng monoton steigend, wenn für alle $x\in I$ gilt $f'(x)>0$
  • streng monoton fallend, wenn für alle $x\in I$ gilt $f'(x)<0$
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Vorgehensweise

  1. Ableitung bestimmen
  2. Nullstelle(n) der Ableitung berechnen
  3. Intervalle bestimmen
  4. Probeeinsetzung in die Ableitung

Beispiel

Untersuche die Funktion $f(x)=x^3+2x^2-4x-8$ auf Monotonie.

  1. Ableitung bestimmen

    $f'(x)=3x^2+4x-4$
  2. Nullstellen der Ableitung berechnen

    Es liegt eine quadratische Gleichung vor, die man beispielsweise mit der PQ-Formel lösen kann.
    $f'(x)=3x^2+4x-4\quad|:3$
    $f'(x)=x^2+\frac43x-\frac43$

    $x_{1,2} = -\frac{p}{2} \pm\sqrt{(\frac{p}{2})^2-q}$
    $x_{1,2} = -\frac{2}{3} \pm\sqrt{(\frac23)^2+\frac43}$
    $x_{1,2} = -\frac{2}{3} \pm\sqrt{\frac{16}{9}}$
    $x_{1,2} = -\frac{2}{3} \pm\frac43$
    $x_1=\color{blue}{-2} \quad x_2=\color{green}{\frac23}$
  3. Intervalle bestimmen

    Mit den Nullstellen der Ableitungsfunktion bildet man nun die Intervalle, bei denen man das Monotonieverhalten untersucht.
    $x_1=\color{blue}{-2} \quad x_2=\color{green}{\frac23}$

    $I_1(-\infty|\color{blue}{-2})$, $I_2(\color{blue}{-2}|\color{green}{\frac23})$, $I_3(\color{green}{\frac23}|\infty)$
  4. Probeeinsetzungen in die Ableitung

    Jeweils einen beliebigen Wert aus jedem Intervall in die Ableitung einsetzen.

    $I_1(-\infty|-2)$:
    Probeeinsetzung: $x=\color{red}{-3}$
    $f'(\color{red}{-3})=3\cdot(\color{red}{-3})^2+4\cdot(\color{red}{-3})-4$ $=11 > 0$
    => Die Ableitung ist im Intervall $I_1$ positiv, d.h. die Funktion ist in diesem Intervall monoton steigend.

    $I_2(-2|\frac23)$:
    Probeeinsetzung: $x=\color{red}{0}$
    $f'(\color{red}{0})=3\cdot\color{red}{0}^2+4\cdot\color{red}{0}-4$ $=-4 < 0$
    => Die Ableitung ist im Intervall $I_2$ negativ, d.h. die Funktion ist in diesem Intervall monoton fallend.

    $I_3(\frac23|\infty)$:
    Probeeinsetzung: $x=\color{red}{1}$
    $f'(\color{red}{1})=3\cdot\color{red}{1}^2+4\cdot\color{red}{1}-4$ $=3 > 0$
    => Die Ableitung ist im Intervall $I_3$ positiv, d.h. die Funktion ist in diesem Intervall monoton steigend.

Monotonieverhalten Teil 1: Erklärung, Begriffe: (streng) monoton steigend / (streng) monoton fallend

Da es sich beim Monotonieverhalten um das Steigungsverhalten handelt, betrachtet man zur Bestimmung die Ableitung, da diese die Steigung der Funktion in Abhängigkeit von $x$ angibt.

  • eine positive Ableitung (Steigung) entspricht monoton steigend
  • eine negative Ableitung (Steigung) entspricht monoton fallend

Strenge Monotonie bezeichnet den Fall, dass die Steigung bzw. Ableitung im Intervall nie bei 0 liegt.

Monotonieverhalten Teil 2: Monotonieverhalten rechnerisch bestimmen, erste Ableitung

Kooperation mit dem Kanal von Mister Mathe

Um die möglichen Stellen für einen Vorzeichenwechsel der Ableitung $f'$ zu bestimmen, berechnet man die Nullstellen von $f'$. Nur an diesen Stellen kann sich das Monotonieverhalten der Ausgangsfunktion $f$ ändern. Anschließend nutzt man einen beliebigen Wert pro enstandenem Intervall den man in die Ableitung einsetzt, um zu entscheiden, ob der Funktionsgraph in diesem Intervall steigt oder fällt.