practicecalculus
Grenzwerte und Stetigkeit

Stetigkeit: Definition, Unstetigkeitsstellen und Zwischenwertsatz

Die drei Bedingungen für Stetigkeit, wie du hebbare Lücken, Sprungstellen und Polstellen unterscheidest und wie du den Zwischenwertsatz anwendest.

Vom PracticeCalculus-Team Veröffentlicht 8 Min. Lesezeit

Auf dieser Seite
  1. Die Definition der Stetigkeit: drei Bedingungen
  2. Arten von Unstetigkeitsstellen
  3. Rechenbeispiele
  4. Der Zwischenwertsatz
  5. Stetigkeit und Differenzierbarkeit
  6. Typische Fehler bei der Stetigkeit
  7. Unstetigkeitsstellen erkennen üben

Anschaulich ist eine stetige Funktion eine, deren Graphen du zeichnen kannst, ohne den Stift abzusetzen. Dieses Bild ist ein guter Anfang, aber in Prüfungen sollst du Stetigkeit beweisen, den Wert von k finden, der eine Funktion stetig macht, oder eine Unstetigkeitsstelle ihrem Typ zuordnen. Dafür brauchst du die genaue Definition, und die besteht aus nur drei kurzen Prüfungen.

Die Definition der Stetigkeit: drei Bedingungen

Eine Funktion f ist stetig an der Stelle x = a, wenn alle drei Bedingungen erfüllt sind:

  1. f(a) ist definiert.
  2. \lim_{x \to a} f(x) existiert (linksseitiger und rechtsseitiger Grenzwert stimmen überein).
  3. Der Grenzwert ist gleich dem Funktionswert:
\lim_{x \to a} f(x) = f(a)

In einfachen Worten: Der Graph steuert bei Annäherung an a auf eine bestimmte Höhe zu, und der Punkt bei a liegt genau auf dieser Höhe.

Eine Funktion ist stetig auf einem Intervall, wenn sie an jeder Stelle des Intervalls stetig ist (mit einseitigen Grenzwerten an abgeschlossenen Rändern). Eine Funktion heißt einfach stetig, wenn sie an jeder Stelle ihres Definitionsbereichs stetig ist.

Welche Funktionen sind stetig?

Die gute Nachricht: Fast jede Funktion, die du kennst, ist überall dort stetig, wo sie definiert ist:

  • Polynome, überall
  • gebrochenrationale Funktionen, überall außer dort, wo der Nenner 0 ist
  • \sqrt{x} für x \ge 0 und andere Wurzeln auf ihrem Definitionsbereich
  • \sin x und \cos x überall; \tan x außer an ungeraden Vielfachen von \frac{\pi}{2}
  • e^x überall und \ln x für x > 0

Summen, Differenzen, Produkte, Quotienten (wenn der Nenner nicht 0 ist) und Verkettungen stetiger Funktionen sind ebenfalls stetig. In der Praxis gibt es Unstetigkeitsstellen daher nur an wenigen Orten: an Nullstellen von Nennern, an Nahtstellen abschnittsweise definierter Funktionen und an den Rändern von Definitionsbereichen.

Arten von Unstetigkeitsstellen

Ist eine der drei Bedingungen verletzt, verrät die Art, wie sie verletzt ist, den Typ der Unstetigkeit.

Typ Was der Graph zeigt Grenzwert bei a Welche Bedingung verletzt ist
Hebbar Eine Lücke (eventuell mit einem verirrten Punkt woanders) Existiert 1 oder 3
Sprungstelle Der Graph springt zwischen zwei Höhen Existiert nicht (Seiten stimmen nicht überein) 2
Polstelle Eine senkrechte Asymptote Existiert nicht (unbeschränkt) 2
Oszillationsstelle Endloses Hin- und Herschwingen, wie \sin(1/x) bei 0 Existiert nicht 2

Hebbare Unstetigkeiten sind die einzigen, die du durch Ändern eines einzigen Punktes beheben kannst. Die anderen heißen nicht hebbar (in manchen Büchern auch wesentlich).

Hebbare Lücke und Polstelle in einem Graphen

Betrachte

f(x) = \frac{x^2 - 4}{x^2 - x - 2}

Faktorisiere Zähler und Nenner:

f(x) = \frac{(x - 2)(x + 2)}{(x - 2)(x + 1)}

Der Nenner ist bei x = 2 und bei x = -1 gleich 0, also ist f an beiden Stellen unstetig. Es sind aber verschiedene Typen.

  • Bei x = 2 kürzt sich der Faktor (x - 2). Für x \neq 2 gilt f(x) = \frac{x + 2}{x + 1}, also \lim_{x \to 2} f(x) = \frac{4}{3}. Der Grenzwert existiert, f(2) aber nicht: eine hebbare Unstetigkeit, eine Lücke bei \left(2, \frac{4}{3}\right).
  • Bei x = -1 bleibt der Faktor (x + 1) im Nenner, während der Zähler x + 2 gegen 1 geht, also gegen einen Wert ungleich null. Die Funktion wächst über alle Grenzen: eine Polstelle, mit der senkrechten Asymptote x = -1.
Graph von y = (x² − 4)/(x² − x − 2) mit einer Lücke bei (2, 4/3) und einer senkrechten Asymptote bei x = −1
Der gekürzte Faktor (x-2) hinterlässt eine hebbare Lücke bei \left(2, \frac{4}{3}\right). Der Faktor (x+1), der sich nicht kürzt, erzeugt eine Polstelle bei x = -1.

Tipp: Faktorisiere eine gebrochenrationale Funktion vollständig. Faktoren, die sich kürzen, ergeben Lücken. Faktoren, die im Nenner übrig bleiben, ergeben senkrechte Asymptoten.

Sprungstellen

Sprünge entstehen bei abschnittsweise definierten Funktionen (und bei Ausdrücken wie \frac{|x|}{x}). Hier ist ein Beispiel:

g(x) = \begin{cases} x^2 & x < 1 \\ x + 2 & x \geq 1 \end{cases}

Der linksseitige Grenzwert bei 1 ist 1^2 = 1, der rechtsseitige ist 1 + 2 = 3. Beide existieren, stimmen aber nicht überein, also springt der Graph von der Höhe 1 auf die Höhe 3.

Sprungstelle bei x = 1: links y = x², rechts y = x + 2
Der linksseitige Grenzwert bei x = 1 ist 1, der rechtsseitige ist 3. Der Graph springt, daher kann kein einzelner Punkt ihn stetig machen.

Rechenbeispiele

Beispiel 1: alle drei Bedingungen prüfen

Ist h(x) = \begin{cases} \frac{x^2 - 9}{x - 3} & x \neq 3 \\ 5 & x = 3 \end{cases} an der Stelle x = 3 stetig?

Schritt 1. Ist h(3) definiert? Ja, h(3) = 5.

Schritt 2. Existiert der Grenzwert? Für x \neq 3 ist \frac{x^2-9}{x-3} = x + 3, also \lim_{x \to 3} h(x) = 6.

Schritt 3. Sind beide gleich? 6 \neq 5. Bedingung 3 ist verletzt.

Ergebnis. h hat bei x = 3 eine hebbare Unstetigkeit. Würde man h(3) = 6 neu definieren, wäre die Funktion stetig.

Beispiel 2: k bestimmen, damit eine abschnittsweise definierte Funktion stetig ist

Bestimme k so, dass f(x) = \begin{cases} kx + 1 & x < 2 \\ x^2 & x \geq 2 \end{cases} überall stetig ist.

Schritt 1. Die einzige kritische Stelle finden. Jeder Abschnitt ist ein Polynom, also kann es nur an der Nahtstelle x = 2 Probleme geben.

Schritt 2. Beide Seiten berechnen. Links: \lim_{x \to 2^-} (kx + 1) = 2k + 1. Rechts: \lim_{x \to 2^+} x^2 = 4. Funktionswert: f(2) = 4.

Schritt 3. Gleichsetzen und lösen.

2k + 1 = 4 \quad \Longrightarrow \quad k = \frac{3}{2}

Probe. Mit k = \frac{3}{2} liefert der linke Abschnitt \frac{3}{2}(2) + 1 = 4. Beide Seiten treffen sich auf der Höhe 4.

Beispiel 3: eine Unstetigkeitsstelle einordnen

Ordne die Unstetigkeitsstellen von p(x) = \frac{x + 5}{x^2 - 25} bei x = 5 und bei x = -5 ein.

Schritt 1. Faktorisieren. p(x) = \frac{x + 5}{(x - 5)(x + 5)}.

Schritt 2. Bei x = -5: Der Faktor (x + 5) kürzt sich, übrig bleibt \frac{1}{x - 5}, das gegen -\frac{1}{10} geht. Hebbar (eine Lücke bei \left(-5, -\frac{1}{10}\right)).

Schritt 3. Bei x = 5: Nach dem Kürzen steht in \frac{1}{x - 5} immer noch x - 5 im Nenner, und der Zähler ist 1 \neq 0. Eine Polstelle mit der senkrechten Asymptote x = 5.

Der Zwischenwertsatz

Stetigkeit hat eine starke Folgerung. Wenn du ohne Unterbrechung von einer Höhe zu einer anderen gehst, musst du jede Höhe dazwischen passieren.

Zwischenwertsatz. Ist f auf [a, b] stetig und ist N irgendeine Zahl zwischen f(a) und f(b), dann gibt es mindestens eine Zahl c in (a, b) mit

f(c) = N

Am häufigsten wird er mit N = 0 genutzt, um zu zeigen, dass eine Gleichung eine Lösung hat: Wechselt eine stetige Funktion auf einem Intervall das Vorzeichen, hat sie dort eine Nullstelle.

Beispiel 4: die Existenz einer Nullstelle beweisen

Zeige, dass x^3 + x - 1 = 0 eine Lösung zwischen 0 und 1 hat.

Schritt 1. Stetigkeit prüfen. f(x) = x^3 + x - 1 ist ein Polynom, also auf [0, 1] stetig.

Schritt 2. Die Randwerte berechnen. f(0) = -1 und f(1) = 1 + 1 - 1 = 1.

Schritt 3. Den Zwischenwertsatz anwenden. 0 liegt zwischen -1 und 1, also gibt es ein c in (0, 1) mit f(c) = 0.

Der Zwischenwertsatz sagt dir, dass eine Nullstelle existiert, nicht wo sie liegt. (Hier liegt sie bei etwa 0.68.) Beachte, dass er Stetigkeit voraussetzt: \frac{1}{x} ist bei x = -1 negativ und bei x = 1 positiv, wird aber nie 0, weil die Funktion auf [-1, 1] nicht stetig ist.

Stetigkeit und Differenzierbarkeit

Stetigkeit ist die Mindestvoraussetzung dafür, dass eine Funktion eine Ableitung hat. Ist f an der Stelle a differenzierbar, muss die Funktion bei a auch stetig sein. Ein Graph mit einer Lücke, einem Sprung oder einer Asymptote kann dort keine Tangente haben.

Die Umkehrung gilt nicht. Eine stetige Funktion kann an einer Stelle trotzdem nicht differenzierbar sein:

  • Ein Knick. |x| ist bei 0 stetig, aber die Steigung ist links -1 und rechts 1, es gibt also keine eindeutige Tangentensteigung.
  • Eine senkrechte Tangente. \sqrt[3]{x} ist bei 0 stetig, aber die Tangente dort ist senkrecht, mit nicht definierter Steigung.
  • Eine Spitze. x^{2/3} ist bei 0 stetig, läuft dort aber spitz zu.

Wenn du also Ableitungen lernst, denk an die Richtung der Folgerung: Differenzierbar impliziert stetig, aber stetig impliziert nicht differenzierbar.

Typische Fehler bei der Stetigkeit

  1. Nur den Grenzwert prüfen. Ein Grenzwert kann existieren, während der Funktionswert fehlt oder abweicht. Du musst alle drei Bedingungen nachweisen.
  2. Jede Nullstelle des Nenners für eine Asymptote halten. Zuerst faktorisieren. Ein Faktor, der sich kürzt, ergibt eine Lücke, keine Asymptote.
  3. Bei einer abschnittsweise definierten Funktion nur eine Seite abgleichen. Vergleiche an der Nahtstelle den linksseitigen Grenzwert, den rechtsseitigen Grenzwert und den Funktionswert.
  4. Den Zwischenwertsatz ohne Stetigkeit anwenden. Über Funktionen mit Sprüngen oder Asymptoten im Intervall sagt der Satz nichts aus.
  5. Erwarten, dass der Zwischenwertsatz den Wert von c liefert. Er garantiert nur, dass c existiert.

Unstetigkeitsstellen erkennen üben

Unstetigkeitsstellen einordnen und nach k auflösen gehören zu den häufigsten Prüfungsfragen zu Grenzwerten, und beides folgt einem festen Rezept. Die interaktive Lektion unten gibt dir Graphen und Formeln zum Analysieren, prüft jede Bedingung, die du behauptest, sofort und erklärt jeden Schritt, den du übersiehst. Stetigkeit bereitet dich außerdem auf die nächste große Idee vor, die Ableitung, denn jede differenzierbare Funktion ist stetig.

Jetzt üben

Stetigkeit

Löse echte Aufgaben zu diesem Thema mit sofortigem Feedback, Tipps und einem Schritt-für-Schritt-Lösungsweg zu jeder Antwort. Kostenlos, ohne Registrierung.

Diese Lektion üben

Häufig gestellte Fragen

Was sind die drei Bedingungen für Stetigkeit?

Eine Funktion f ist stetig an der Stelle x = a, wenn (1) f(a) definiert ist, (2) \lim_{x \to a} f(x) existiert und (3) \lim_{x \to a} f(x) = f(a) gilt. Ist auch nur eine Bedingung verletzt, ist f an der Stelle a unstetig.

Was ist der Unterschied zwischen einer hebbaren und einer nicht hebbaren Unstetigkeit?

An einer hebbaren Unstetigkeit existiert der Grenzwert, du könntest die Funktion also reparieren, indem du einen einzigen Punkt neu definierst. An einer Sprungstelle oder Polstelle existiert der Grenzwert nicht, kein einzelner Punkt kann den Graphen reparieren.

Wie macht man eine abschnittsweise definierte Funktion stetig?

Setze den linksseitigen Grenzwert, den rechtsseitigen Grenzwert und den Funktionswert an der Nahtstelle gleich und löse nach der unbekannten Konstanten auf. Zum Beispiel ist kx + 1 für x < 2 und x^2 für x \geq 2 stetig, wenn 2k + 1 = 4 gilt, also k = \frac{3}{2}.

Was besagt der Zwischenwertsatz?

Ist f auf dem abgeschlossenen Intervall [a, b] stetig und ist N irgendeine Zahl zwischen f(a) und f(b), dann gibt es mindestens ein c in (a, b) mit f(c) = N. Er wird oft verwendet, um zu beweisen, dass eine Gleichung in einem Intervall eine Lösung hat.

Ist eine Funktion mit senkrechter Asymptote stetig?

An der Asymptote selbst ist sie nicht stetig, weil die Funktion dort nicht definiert ist und der Grenzwert nicht existiert. Sie kann trotzdem auf ihrem gesamten Definitionsbereich stetig sein, so wie \frac{1}{x}.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

Wir entwickeln interaktive Analysis-Lektionen und schreiben jede Seite klar und korrekt. Ist dir ein Fehler aufgefallen? Sag uns Bescheid, dann beheben wir ihn.