Das Verfahren in vier Schritten
Das Vorzeichen von \(f'\) kann sich nur an seinen Nullstellen ändern. Deshalb genügt eine Probestelle pro Teilintervall.
- Schritt 1:\(f'\) bilden und möglichst faktorisieren, z. B. \(x^3-3x^2=x^2(x-3)\).
- Schritt 2:\(f'(x)=0\) lösen — das liefert die Schnittstellen.
- Schritt 3:in jedem Teilintervall das Vorzeichen von \(f'\) bestimmen.
- Schritt 4:je Teilintervall einen Antwortsatz mit offenen Klammern schreiben.
- Anzahl:\(n\) Schnittstellen zerlegen die \(x\)-Achse in \(n+1\) Teilintervalle.
Probestelle: zwischen zwei benachbarten Nullstellen von \(f'\) bleibt das Vorzeichen von \(f'\) gleich
Die Vorzeichentabelle
In der Vorzeichentabelle stehen oben die Faktoren von \(f'\), darunter ihr Produkt und ganz unten die Monotonie von \(f\).
- Faktorweise:Vorzeichen jedes Faktors bestimmen, dann nur die Vorzeichen multiplizieren.
- Beispiel:\(f(x)=\tfrac14x^4-x^3+5\), \(f'(x)=x^2(x-3)\), Schnittstellen \(0\) (doppelt) und \(3\).
- Probestellen:\(-1\), \(1\) und \(4\).
| Faktor | \(]-\infty;\,0[\)Probe \(x=-1\) | \(]0;\,3[\)Probe \(x=1\) | \(]3;\,\infty[\)Probe \(x=4\) |
|---|---|---|---|
| \(x^2\) | + | + | + |
| \(x-3\) | − | − | + |
| \(f'(x)\) | − | − | + |
| \(f\) | streng monoton fallend | streng monoton fallend | streng monoton wachsend |
Von oben nach unten ausgefüllt: erst jeder Faktor einzeln, dann das Produkt der Vorzeichen, dann die Antwort. Wer so vorgeht, kann das Vorzeichen kaum noch falsch bekommen.
- Ergebnis:\(f\) fällt auf \(]-\infty;\,0[\) und \(]0;\,3[\) und wächst auf \(]3;\,\infty[\).
- Bei \(x=0\):waagerechte Tangente, aber kein Monotoniewechsel.
- Einfache Nullstelle:\(f'\) wechselt das Vorzeichen — die Monotonie kippt.
- Doppelte Nullstelle:kein Vorzeichenwechsel — die Monotonie bleibt.
- Zerschneiden:in beiden Fällen, und beide Teilintervalle kommen in den Antwortsatz.
Doppelte Nullstelle von \(f'\): kein Vorzeichenwechsel, also kein Monotoniewechsel
Wähle eine Funktion und arbeite die vier Schritte ab: \(f'\) aufdecken, Schnittstellen anklicken, Tabelle füllen, Antwortsatz lesen.
Vorzeichentabelle live
Wähle eine Funktion und arbeite die vier Schritte der Reihe nach ab. Jeder Schritt schaltet den nächsten frei.
- f′ bilden
- f′(x) = 0 lösen
- Vorzeichen prüfen
- Antwortsatz
Schritt 1 — die Ableitung bilden
Gegeben ist . Bilde f′ zuerst selbst auf dem Papier und decke dann auf.
Schritt 2 — die Nullstellen von f′ anklicken
Klicke auf der Zahlengeraden jede Stelle an, an der f′ null wird. Mit der Tastatur: Tab oder ←/→ zum Wandern, Enter zum Setzen.
Schritt 3 — die Vorzeichentabelle füllen
Ziehe die Probestelle durch das hervorgehobene Teilintervall. Jede Zeile zeigt sofort, welches Vorzeichen der zugehörige Faktor dort hat — unten steht das Produkt.
Schritt 4 — der Antwortsatz
Wähle eine Funktion und beginne mit Schritt 1.
Halte fest: Der Probestellen-Regler ändert das Vorzeichen innerhalb eines Teilintervalls nie.
Zwei Beispiele
Beide Funktionen sind so gewählt, dass sich \(f'\) faktorisieren lässt.
- Beispiel:\(f(x)=\tfrac14x^4-2x^2\), \(f'(x)=x(x+2)(x-2)\), Schnittstellen \(-2\), \(0\), \(2\).
- Vorzeichen:\(f'(-3)=-15\), \(f'(-1)=3\), \(f'(1)=-3\), \(f'(3)=15\).
- Ergebnis:\(f\) fällt auf \(]-\infty;\,-2[\) und \(]0;\,2[\) und wächst auf \(]-2;\,0[\) und \(]2;\,\infty[\).
- Beispiel:\(f(x)=\tfrac13x^3-2x^2+3x\), \(f'(x)=(x-1)(x-3)\).
- Vorzeichen:\(f'(0)=3\), \(f'(2)=-1\), \(f'(4)=3\).
- Ergebnis:\(f\) wächst auf \(]-\infty;\,1[\), fällt auf \(]1;\,3[\) und wächst auf \(]3;\,\infty[\).
Antwortsatz: „Im Intervall \(]a;\,b[\) ist \(f\) streng monoton wachsend (bzw. fallend).“
Allgemeine Hinweise
Offene Klammern
An den Schnittstellen gilt \(f'(x)=0\). Sie gehören zu keinem Intervall, die Klammern bleiben offen.
Doppelte Nullstelle
Auch an einer doppelten Nullstelle von \(f'\) wird zerschnitten. Das Vorzeichen bleibt dort aber gleich.
Anzahl prüfen
Bei \(n\) Nullstellen von \(f'\) brauchst du \(n+1\) Antwortsätze. Fehlt einer, fehlt eine Nullstelle.
