Textaufgaben
In allen fünf Aufgaben steht dieselbe Frage: Waagerechte Tangente — und dann? Ein Sattelpunkt ist ein Wendepunkt mit Steigung null und damit kein Extrempunkt. Genau diese Unterscheidung wird hier geprüft. Zu jeder Teilaufgabe gibt es einen Hinweis und einen Erwartungshorizont — öffne den Erwartungshorizont erst, wenn du deine eigene Lösung aufgeschrieben hast.
Der Wanderweg
AFB IDas Höhenprofil eines Wanderwegs wird beschrieben durch
Dabei ist \(x\) die zurückgelegte Strecke in Kilometern und \(h(x)\) die Höhe in Hundert Metern (Material M1).
Bei \(x=1\) verläuft der Weg waagerecht — und steigt davor wie danach an.
- Bestimme \(h′\), \(h″\) und \(h‴\).
- Weise nach, dass bei \(x=1\) ein Sattelpunkt liegt.
- Deute den Sattelpunkt im Sachzusammenhang.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(h′(x)=3x^{2}-6x+3=3\,(x-1)^{2}\), \(h″(x)=6x-6\) und \(h‴(x)=6\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(h′(1)=0\) und \(h″(1)=0\) und \(h‴(1)=6\neq 0\). Damit liegt bei \(x_S=1\) ein Sattelpunkt. Mit \(h(1)=1-3+3+1=2\) ergibt sich \(S(1\mid 2)\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Antwortsatz: Nach einem Kilometer verläuft der Weg auf einer Höhe von 200 m für einen Moment eben; danach geht es weiter bergauf. Es handelt sich also nicht um eine Kuppe: Der höchste Punkt der Wanderung liegt am Ende bei \(h(3)=10\), also auf 1000 m.
Drei Modellprofile im Vergleich
AFB IIDrei Profile besitzen jeweils an der Stelle \(x_0\) eine waagerechte Tangente:
Bei \(f_1\) ist \(x_0=1\), bei \(f_3\) ist \(x_0=0\).
- Bestimme für jede Funktion die Ableitung und alle Kandidaten für Extremstellen.
- Entscheide für jede Stelle, ob dort ein Hoch-, ein Tief- oder ein Sattelpunkt liegt.
- Begründe, warum \(f″(x_0)=0\) allein keine Entscheidung erlaubt.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(f_1′(x)=3x^{2}-6x+3=3\,(x-1)^{2}\) mit dem Kandidaten \(x=1\).
\(f_2′(x)=3x^{2}-3=3\,(x-1)(x+1)\) mit den Kandidaten \(x=-1\) und \(x=1\).
\(f_3′(x)=4x^{3}\) mit dem Kandidaten \(x=0\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(f_1\): \(f_1′(x)\ge 0\) für alle \(x\), kein Vorzeichenwechsel → Sattelpunkt \(S(1\mid 1)\).
\(f_2\): \(f_2′(-2)=9>0\), \(f_2′(0)=-3<0\), \(f_2′(2)=9>0\) → Hochpunkt \(H(-1\mid 2)\) und Tiefpunkt \(T(1\mid-2)\).
\(f_3\): \(f_3′(-1)=-4<0\), \(f_3′(1)=4>0\) → Wechsel von \(-\) nach \(+\), also Tiefpunkt \(T(0\mid 0)\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Bei \(f_1\) und \(f_3\) gilt jeweils \(f′(x_0)=0\) und \(f″(x_0)=0\) — und dennoch liegt einmal ein Sattelpunkt und einmal ein Tiefpunkt vor. Das \(f″\)-Kriterium trifft in diesem Fall also keine Aussage; es ist hinreichend, aber nicht notwendig. Antwortsatz: Bei \(f″(x_0)=0\) muss stets weitergearbeitet werden — mit dem VZW-Kriterium oder über \(f‴(x_0)\neq 0\).
Der Ersatzteilabsatz
AFB IIDer kumulierte Absatz \(A\) eines Ersatzteils (in Tausend Stück) wird über acht Jahre modelliert durch
Der Vertrieb gibt die Funktion in den GTR ein und erhält weder ein Minimum noch ein Maximum. Daraus wird geschlossen: „Es gibt keine Stelle mit waagerechter Tangente.“
- Bestimme \(A′\) und alle Kandidaten für Extremstellen.
- Weise mit dem \(f‴\)-Kriterium nach, dass an dieser Stelle ein Sattelpunkt liegt.
- Widerlege die Schlussfolgerung des Vertriebs und deute den Punkt im Sachzusammenhang.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(A′(t)=1{,}5t^{2}-12t+24=1{,}5\,(t^{2}-8t+16)=1{,}5\,(t-4)^{2}\). Einziger Kandidat: \(t=4\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(A″(t)=3t-12\) und \(A‴(t)=3\). Es gilt \(A′(4)=0\), \(A″(4)=0\) und \(A‴(4)=3\neq 0\) — bei \(t=4\) liegt ein Sattelpunkt. Mit \(A(4)=32-96+96+10=42\) ergibt sich \(S(4\mid 42)\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Schlussfolgerung ist falsch: Bei \(t=4\) gilt \(A′(4)=0\), es gibt dort also sehr wohl eine waagerechte Tangente. Der GTR sucht unter „minimum“ und „maximum“ nur nach Extrempunkten — und ein Sattelpunkt ist keiner. Antwortsatz: Im vierten Jahr kommt der Zuwachs des Absatzes für einen Moment zum Erliegen; da \(A′(t)=1{,}5(t-4)^{2}\ge 0\) gilt, wächst der kumulierte Absatz davor wie danach weiter — er geht zu keinem Zeitpunkt zurück.
Zwei Kurven, ein Kriterium
AFB IIIEin Schüler formuliert eine Merkregel: „Gilt \(f′(x_0)=0\) und \(f″(x_0)=0\), so liegt bei \(x_0\) ein Sattelpunkt.“ Material M2 zeigt die Graphen von \(y=x^{3}\) und \(y=x^{4}\).
Beide Graphen haben im Ursprung eine waagerechte Tangente — nur einer von beiden durchquert die Achse.
- Berechne für beide Funktionen die ersten drei Ableitungen an der Stelle \(x_0=0\).
- Widerlege die Merkregel des Schülers.
- Formuliere eine korrekte Fassung der Regel.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Für \(f(x)=x^{3}\): \(f′(x)=3x^{2}\), \(f″(x)=6x\), \(f‴(x)=6\); also \(f′(0)=0\), \(f″(0)=0\) und \(f‴(0)=6\neq 0\).
Für \(g(x)=x^{4}\): \(g′(x)=4x^{3}\), \(g″(x)=12x^{2}\), \(g‴(x)=24x\); also \(g′(0)=0\), \(g″(0)=0\) und \(g‴(0)=0\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Gegenbeispiel \(g(x)=x^{4}\): Die Voraussetzung der Regel ist erfüllt, doch bei \(x_0=0\) liegt kein Sattelpunkt, sondern ein Tiefpunkt. Denn \(g′(x)=4x^{3}\) wechselt dort das Vorzeichen von \(-\) nach \(+\), und es gilt \(g(x)=x^{4}>0=g(0)\) für alle \(x\neq 0\). Die Merkregel ist damit widerlegt.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Korrekte Fassung: Gilt \(f′(x_S)=0\), \(f″(x_S)=0\) und \(f‴(x_S)\neq 0\), so liegt bei \(x_S\) ein Sattelpunkt. Ist auch \(f‴(x_S)=0\), so entscheidet erst das VZW-Kriterium: Wechselt \(f′\) das Vorzeichen, liegt ein Extrempunkt vor, sonst ein Sattelpunkt. Für \(y=x^{3}\) ist \(f‴(0)=6\neq 0\) — dort liegt tatsächlich ein Sattelpunkt.
Eine Schar von Bahnprofilen
AFB IIIBahnprofile werden durch die Schar
beschrieben. Eine Planerin behauptet: „Genau eine Kurve dieser Schar besitzt einen Sattelpunkt.“
- Bestimme \(f_a′\) und alle Kandidaten in Abhängigkeit von \(a\).
- Untersuche, für welche Werte von \(a\) ein Sattelpunkt vorliegt.
- Nimm zur Behauptung der Planerin begründet Stellung.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(f_a′(x)=3x^{2}+a\). Für \(a>0\) gibt es keine Nullstelle; für \(a=0\) genau eine, nämlich \(x=0\); für \(a<0\) die beiden Stellen \(x=\pm\sqrt{-\tfrac{a}{3}}\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(f_a″(x)=6x\) verschwindet nur bei \(x=0\). Ein Sattelpunkt kann also höchstens dort liegen, und \(x=0\) ist nur für \(a=0\) auch Nullstelle von \(f_a′\). Für \(a=0\) gilt \(f_0′(0)=0\), \(f_0″(0)=0\) und \(f_0‴(0)=6\neq 0\) — es liegt ein Sattelpunkt \(S(0\mid 0)\) vor.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Behauptung ist richtig. Für \(a>0\) hat \(f_a\) überhaupt keine waagerechte Tangente, für \(a<0\) liegen an den beiden Kandidaten wegen \(f_a″(\pm\sqrt{-a/3})\neq 0\) ein Hoch- und ein Tiefpunkt. Nur die Kurve mit \(a=0\), also \(f_0(x)=x^{3}\), besitzt einen Sattelpunkt. Antwortsatz: Genau ein Bahnprofil der Schar verläuft an einer Stelle waagerecht, ohne dort einen Höhe- oder Tiefpunkt zu haben.
