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Algebraische Funktionen

Quadratische Funktion: Graph, Scheitelpunkt, Ableitung, Integral

Die quadratische Funktion f(x) = ax² + bx + c: Parabel, Scheitelpunktformel, Nullstellen, Ableitung 2ax + b, Integral und Rechenbeispiele.

Algebraische Funktionen Aktualisiert 3 Min. Lesezeit

Auf einen Blick

f(x) = ax^2 + bx + c, \quad a \ne 0
Definitionsbereich
(-\infty, \infty)
Wertebereich
\left[f\left(-\frac{b}{2a}\right), \infty\right) für a > 0
Ableitung
2ax + b
Integral
\frac{a}{3}x^3 + \frac{b}{2}x^2 + cx + C
Scheitelpunkt
x = -\frac{b}{2a}
Nullstellen
x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}
Auf dieser Seite
  1. Formel und Darstellungsformen
  2. Graph einer quadratischen Funktion
  3. Ableitung einer quadratischen Funktion
  4. Integral einer quadratischen Funktion
  5. Rechenbeispiele
  6. Häufige Fehler
  7. Zusammenhänge

Eine quadratische Funktion ist ein Polynom vom Grad zwei. Ihr Graph ist eine Parabel, eine symmetrische, U-förmige Kurve mit einem einzigen Extrempunkt, dem Scheitelpunkt. Quadratische Funktionen beschreiben Wurfhöhen, Flächen und Gewinne, und sie sind die ersten Kurven, bei denen Ableitungen etwas zeigen, das man an einer Geraden nicht sehen kann.

Formel und Darstellungsformen

f(x) = ax^2 + bx + c, \qquad a \ne 0
Form Gleichung Zeigt
Normalform ax^2 + bx + c y-Achsenabschnitt c
Scheitelpunktform a(x - h)^2 + k Scheitelpunkt (h, k)
Faktorisierte Form a(x - r_1)(x - r_2) Nullstellen r_1, r_2

Graph einer quadratischen Funktion

Graph der Parabel y = x² - 2x - 3 und ihrer Ableitung y = 2x - 2
Der Scheitelpunkt liegt bei (1, -4), genau dort, wo die Ableitung null wird. Die Nullstellen sind x = -1 und x = 3.

Wichtige Merkmale:

  • Öffnung. Nach oben geöffnet für a > 0 (Scheitelpunkt ist ein Minimum), nach unten für a < 0 (Scheitelpunkt ist ein Maximum).
  • Symmetrieachse. Die senkrechte Gerade x = -\frac{b}{2a}.
  • Nullstellen. Aus der Mitternachtsformel x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}. Die Diskriminante b^2 - 4ac verrät, ob es zwei, eine oder keine reellen Nullstellen gibt.
  • Wertebereich. \left[k, \infty\right) für a > 0 und \left(-\infty, k\right] für a < 0, wobei k die Höhe des Scheitelpunkts ist.

Ableitung einer quadratischen Funktion

Mit der Potenzregel und der Summenregel:

f'(x) = 2ax + b, \qquad f''(x) = 2a

Die Ableitung einer quadratischen Funktion ist eine lineare Funktion. Sie ist an genau einer Stelle null, bei x = -\frac{b}{2a}, und das ist der Scheitelpunkt. Die zweite Ableitung ist die Konstante 2a, also ist die Parabel für a > 0 überall linksgekrümmt und für a < 0 überall rechtsgekrümmt. Deshalb ist der Scheitelpunkt immer das globale Extremum.

Integral einer quadratischen Funktion

\int (ax^2 + bx + c)\,dx = \frac{a}{3}x^3 + \frac{b}{2}x^2 + cx + C

Das kleine c ist das absolute Glied der quadratischen Funktion; das große C ist die Integrationskonstante.

Rechenbeispiele

Beispiel 1: Scheitelpunkt mit der Ableitung. Für f(x) = x^2 - 2x - 3 liefert f'(x) = 2x - 2 = 0 die Stelle x = 1, und f(1) = -4. Der Scheitelpunkt ist (1, -4), ein Minimum, weil a = 1 > 0.

Beispiel 2: maximale Höhe. Die Höhe eines Balls ist h(t) = -5t^2 + 20t + 1 Meter. Dann ist h'(t) = -10t + 20 = 0 bei t = 2, und die maximale Höhe ist h(2) = -20 + 40 + 1 = 21 Meter.

Beispiel 3: Fläche unter einer Parabel. Berechne \int_0^3 (x^2 + 1)\,dx:

\left[\tfrac{x^3}{3} + x\right]_0^3 = (9 + 3) - 0 = 12

Beispiel 4: Tangente. Für f(x) = x^2 - 2x - 3 an der Stelle x = 3: f(3) = 0 und f'(3) = 4, also lautet die Tangente y = 4(x - 3) = 4x - 12.

Häufige Fehler

  1. Das Minuszeichen in -\frac{b}{2a} vergessen. Bei x^2 - 2x - 3 ist b = -2, also liegt der Scheitelpunkt bei x = -\frac{-2}{2} = 1.
  2. ax^2 zu ax ableiten. Der Exponent kommt nach vorne: \frac{d}{dx}3x^2 = 6x.
  3. x^2 zu \frac{x^3}{2} integrieren. Teile durch den neuen Exponenten, 3.
  4. (x - 2)^2 zu x^2 + 4 ausmultiplizieren. Richtig ist x^2 - 4x + 4.

Zusammenhänge

Quadratische Funktionen sind die einfachsten ganzrationalen Funktionen mit Krümmung und daher die klassischen ersten Beispiele für Extremwertaufgaben, Kurvendiskussion und Fläche zwischen Kurven. Das Taylorpolynom zweiten Grades jeder glatten Funktion ist eine quadratische Funktion. Deshalb nähern Parabeln so viele Kurven in der Nähe eines Punktes an.

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Häufig gestellte Fragen

Was ist die Ableitung einer quadratischen Funktion?

Die Ableitung von ax^2 + bx + c ist 2ax + b, gefunden mit der Potenzregel Term für Term. Zum Beispiel ist die Ableitung von 3x^2 - 5x + 2 gleich 6x - 5.

Wie findet man den Scheitelpunkt einer Parabel mit der Ableitung?

Setze die Ableitung gleich null: Aus 2ax + b = 0 folgt x = -\frac{b}{2a}. Setze dieses x in f ein, um die y-Koordinate des Scheitelpunkts zu erhalten.

Wie integriert man eine quadratische Funktion?

Wende die Potenzregel rückwärts auf jeden Term an: \int (ax^2 + bx + c)\,dx = \frac{a}{3}x^3 + \frac{b}{2}x^2 + cx + C.

Woran erkennt man, ob eine Parabel nach oben oder unten geöffnet ist?

Am Vorzeichen von a, dem Koeffizienten von x^2. Ist a > 0, ist sie nach oben geöffnet und der Scheitelpunkt ein Minimum; ist a < 0, ist sie nach unten geöffnet und der Scheitelpunkt ein Maximum.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

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