Wendestellen

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Mathematik Klasse 11 22 Aufgaben
AnalysisFlexionKrümmung

An einer Wendestelle wechselt die Krümmung: f″(x₀) = 0 ist notwendig, hinreichend ist der Vorzeichenwechsel von f″; den y-Wert des Wendepunkts liefert f. Dort ist die Steigung extremal, im Sachzusammenhang liegt die Wendestelle beim Zeitpunkt der stärksten Zu- oder Abnahme. Der Abschnitt räumt aus, dass f″(x₀) = 0 schon genügt (x⁴), dass die Wendestelle der höchste Punkt sei und dass man den y-Wert aus f′ oder f″ nimmt. Er bereitet die vollständige Untersuchung und Wachstumsmodelle vor.

Wendepunkt und Wendestelle

An einer Wendestelle wechselt der Graph seine Krümmung: von Rechts- zu Linkskurve oder umgekehrt. Der zugehörige Punkt heißt Wendepunkt. Notwendig ist ; hinreichend ist zusätzlich ein Vorzeichenwechsel von f″ bei x₀, dieselbe Logik wie bei den Extremstellen. Für gilt nur bei x = 0, und f″ wechselt von − nach +: Wendestelle. Den y-Wert liefert f: , also .

Aus allein folgt keine Wendestelle: Bei ist , also , doch f″ bleibt auf beiden Seiten positiv. Der Graph bleibt eine Linkskurve; bei 0 liegt ein Tiefpunkt. Am Wendepunkt von x³ dagegen kreuzt die Tangente den Graphen.

Wähle n = 3, 4 und 5. Bei welchen n wechselt f″ an der Stelle 0 das Vorzeichen?

Größte Änderungsrate

An einer Wendestelle ist die Steigung extremal: f′ hat dort ein Maximum oder Minimum, denn wechselt das Vorzeichen. Im Sachzusammenhang liegt die Wendestelle also beim Zeitpunkt der stärksten Zu- oder Abnahme. Die Höhe einer Pflanze folge (t in Wochen, h in cm, 0 ≤ t ≤ 6). Dann ist und bei t = 3, wobei h″ von + nach − wechselt.

Verschiebe t. Wann ist die Wachstumsrate h′(t) am größten, und wie hoch ist die Pflanze dann?

Bei t = 3 wächst die Pflanze mit cm pro Woche am schnellsten; ihre Höhe ist dann cm, der Wendepunkt ist . Der höchste Punkt des Graphen liegt später, bei t = 6 mit .

Leicht
Multiple Choice #1 30s ▶ Testen

Bei welcher Funktion hat der Graph im Ursprung einen Wendepunkt?

  • ● f(x) = x³
  • ○ f(x) = x⁴
  • ○ f(x) = x²
f″ ist 6x bei x³ (wechselt bei 0 das Vorzeichen: Wendepunkt), 12x² bei x⁴ (f″(0) = 0, aber f″ ≥ 0 auf beiden Seiten: kein Wendepunkt) und 2 bei x² (f″(0) ≠ 0).
Wahr / Falsch #2 20s ▶ Testen

Für f(x) = x⁴ ist f″(x) = 12x². Trotz f″(0) = 0 hat der Graph im Ursprung keinen Wendepunkt.

✓ Wahr
f″(0) = 0 ist nur notwendig. Es gilt f″(x) = 12x² ≥ 0 auf beiden Seiten: keine Krümmungsänderung, der Graph bleibt eine Linkskurve. Kein Wendepunkt.
Multiple Choice #3 30s ▶ Testen

Abgebildet ist der Graph von f″. Was liegt bei x = 1 vor?

  • ● Wendestelle (Rechts- zu Linkskurve)
  • ○ Wendestelle (Links- zu Rechtskurve)
  • ○ keine Wendestelle
f″ ist links von 1 negativ (Rechtskurve), bei 1 null und rechts von 1 positiv (Linkskurve). Der Vorzeichenwechsel von − nach + macht x = 1 zur Wendestelle, an der die Krümmung von Rechts- zu Linkskurve wechselt.
Wahr / Falsch #4 20s ▶ Testen

Abgebildet ist der Graph von f″ mit f″(x) = x(x − 2)². Bei x = 0 hat f eine Wendestelle.

✓ Wahr
Bei x = 0 wechselt f″ von − nach +: eine Wendestelle. (Bei x = 2 berührt f″ die x-Achse nur und bleibt positiv: dort keine Wendestelle.)
Multiple Choice #5 25s ▶ Testen

Für f(x) = x³ − 3x² + 4 liegt die einzige Wendestelle bei x = 1. Wie lautet der Wendepunkt?

  • ● (1 | 2)
  • ○ (1 | −3)
  • ○ (1 | 0)
Die y-Koordinate liefert f: f(1) = 1 − 3 + 4 = 2. Der Wert −3 ist die Steigung f′(1), der Wert 0 ist f″(1).
Multiple Choice #6 25s ▶ Testen

Abgebildet ist der Graph von f(x) = x³ + 3x². Die einzige Wendestelle liegt bei x = −1. Wie lautet der Wendepunkt?

  • ● (−1 | 2)
  • ○ (2 | −1)
  • ○ (−2 | 4)
Der Wendepunkt ist (−1 | f(−1)) = (−1 | −1 + 3) = (−1 | 2). (2 | −1) vertauscht die Koordinaten; (−2 | 4) ist der Hochpunkt, eine Extremstelle, keine Wendestelle.
Multiple Choice #7 40s ▶ Testen

Die Wassermenge in einem Becken wird beschrieben durch V(t) = −t³ + 12t² (V in Litern, t in Minuten, 0 ≤ t ≤ 12). Abgebildet ist der Graph von V. Zu welchem Zeitpunkt nimmt die Wassermenge am stärksten zu?

  • ● t = 4
  • ○ t = 8
  • ○ t = 12
Die stärkste Zunahme ist die größte Steigung V′, also die Wendestelle: V″(t) = −6t + 24 = 0 ⇒ t = 4 (V′(4) = 48 Liter pro Minute). t = 8 ist der Zeitpunkt der größten Wassermenge (V′(8) = 0), bei t = 12 ist das Becken wieder leer.
Wahr / Falsch #8 20s ▶ Testen

Abgebildet ist der Graph von N′, der Wachstumsrate eines Bakterienbestands N (t in Stunden). Der Graph von N hat bei t = 5 eine Wendestelle.

✓ Wahr
N′ hat bei t = 5 sein Maximum (75). Die Steigung von N ist dort extremal, N″ = (N′)′ wechselt bei 5 das Vorzeichen: Wendestelle. Der Bestand wächst zu diesem Zeitpunkt am schnellsten.
Multiple Choice #9 30s ▶ Testen

Abgebildet ist der Graph von f. An welcher Stelle ist die Steigung von f am größten?

  • ● x = 1
  • ○ x = 2
  • ○ x = 0
Die Steigung ist am größten im Wendepunkt bei x = 1 (f′(1) = 3, f′ = −3x² + 6x hat dort sein Maximum). Bei x = 2 liegt der höchste Punkt des Graphen mit der Steigung 0, bei x = 0 der tiefste Punkt, ebenfalls mit Steigung 0.
Mittel
Zahleneingabe #1 35s ▶ Testen

Für f(x) = x³ − 9x² + 5x ist f″(x) = 6x − 18. Löse f″(x) = 0.

✓ Antwort: 3
6x − 18 = 0 ⇒ x = 3. Das ist der Kandidat für die Wendestelle.
Zahleneingabe #2 40s ▶ Testen

Für f(x) = x⁵ − 5x⁴ ist f″(x) = 20x²(x − 3). An wie vielen Stellen wechselt f″ das Vorzeichen?

✓ Antwort: 1
Bei x = 0 ist der Faktor x² doppelt: Er ist nie negativ, f″ wechselt dort nicht das Vorzeichen. Bei x = 3 wechselt der einfache Faktor (x − 3) das Vorzeichen. Also genau eine Stelle: x = 3.
Zahleneingabe #3 35s ▶ Testen

Die Wendestelle von f(x) = x³ − 6x² + 4 liegt bei x = 2. Berechne den y-Wert des Wendepunkts.

✓ Antwort: -12
Der y-Wert kommt aus f: f(2) = 8 − 24 + 4 = −12. Der Wendepunkt ist (2 | −12).
Zahleneingabe #4 40s ▶ Testen

Die Zahl der Downloads einer App wird beschrieben durch D(t) = −t³ + 18t² (t in Tagen, 0 ≤ t ≤ 12), es gilt D″(t) = −6t + 36. Zu welchem Zeitpunkt t nimmt die Zahl der Downloads am stärksten zu?

✓ Antwort: 6
Die stärkste Zunahme liegt an der Wendestelle: D″(t) = −6t + 36 = 0 ⇒ t = 6.
Zahleneingabe #5 60s ▶ Testen

f(x) = x³ − 6x² + 9x. Löse f''(x) = 0. Wo liegt die Wendestelle?

✓ Antwort: 2
Zahleneingabe #6 60s ▶ Testen

f(x) = x³ − 9x² + 24x. Löse f''(x) = 0. Wo liegt die Wendestelle?

✓ Antwort: 3
Zahleneingabe #7 45s ▶ Testen

f(x) = x³ − 6x² + 9x hat bei x = 2 einen Wendepunkt. Wie groß ist seine y-Koordinate?

✓ Antwort: 2
Zahleneingabe #8 45s ▶ Testen

f(x) = x³ − 9x² + 24x hat bei x = 3 einen Wendepunkt. Wie groß ist seine y-Koordinate?

✓ Antwort: 18
Schwer
Zahleneingabe #1 35s ▶ Testen

Für f(x) = x⁵ − 5x⁴ ist f″(x) = 20x³ − 60x² = 20x²(x − 3). Wie viele Kandidaten für Wendestellen gibt es?

✓ Antwort: 2
f″(x) = 0 gilt für x = 0 und x = 3: zwei Kandidaten. Ob es wirklich Wendestellen sind, entscheidet der Vorzeichenwechsel von f″.
Zahleneingabe #2 45s ▶ Testen

Es gilt f″(x) = (x + 2)(x − 1)²(x − 4). Bestimme die Anzahl der Wendestellen von f.

✓ Antwort: 2
f″ hat die Nullstellen −2 (einfach), 1 (doppelt) und 4 (einfach). Nur bei einfachen Nullstellen wechselt f″ das Vorzeichen: bei −2 und bei 4. Bei 1 ändert sich die Krümmung nicht. Also zwei Wendestellen.
Zahleneingabe #3 50s ▶ Testen

Bestimme die y-Koordinate des Wendepunkts von f(x) = −x³ + 6x² − 2.

✓ Antwort: 14
f″(x) = −6x + 12 = 0 ⇒ x = 2 (f″ wechselt von + nach −: Wendestelle). f(2) = −8 + 24 − 2 = 14. Der Wendepunkt ist (2 | 14).
Zahleneingabe #4 55s ▶ Testen

Die Füllhöhe eines Tanks ist H(t) = −t³ + 6t² (H in dm, t in Stunden, 0 ≤ t ≤ 4), es gilt H′(t) = −3t² + 12t und H″(t) = −6t + 12. Wie groß ist die größte Zunahme der Füllhöhe (in dm pro Stunde)?

✓ Antwort: 12
Die größte Zunahme liegt bei der Wendestelle t = 2 (H″(2) = 0). Dort ist H′(2) = −12 + 24 = 12 dm pro Stunde.
KI-bewertete Rechnung #5 240s ▶ Testen

Bestimme alle Wendepunkte von f(x) = x⁴ − 4x³. Löse f″(x) = 0, begründe mit dem Vorzeichen von f″ links und rechts jeder Kandidatenstelle, dass es Wendestellen sind, und berechne die y-Werte. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: f′(x) = 4x³ − 12x², f″(x) = 12x² − 24x = 12x(x − 2) = 0 ⇒ x = 0 oder x = 2. Vorzeichen: f″(−1) = 36 > 0, f″(1) = −12 < 0, f″(3) = 36 > 0. f″ wechselt bei 0 von + nach − und bei 2 von − nach +: zwei Wendestellen. y-Werte aus f: f(0) = 0, f(2) = 16 − 32 = −16. Wendepunkte (0 | 0) und (2 | −16).
f″ = 12x(x − 2): Kandidaten 0 und 2, Vorzeichenwechsel + → − bei 0 und − → + bei 2; y-Werte aus f: W₁(0 | 0), W₂(2 | −16).