Relatives Extremum

Falls eine stetige Funktion $f(x)$ von einem steigenden Verlauf zu einem fallenden Verlauf übergeht und der Funktionswert im Wendepunkt größer bzw. kleiner ist, als alle Werte in der Umgebung, dann wird von einem Extremum oder Extremwert gesprochen. Nimmt die Funktion in diesem Punkt den höchsten Funktionswert an, so handelt es sich um ein Maximum und für den niedrigsten Wert um ein Minimum. Im Extrempunkt wechselt die Ableitung $f'(x)$ das Vorzeichen und es gilt $f'(x_0)=0$. Zu unterscheiden ist zwischen lokalen (relativen) und globalen (absoluten) Extremwerten.
Definition[Lokales Maximum] Eine stetige und an der Stelle $x_0$ differenzierbare Funktion $f(x)$ besitzt an einer Stelle $x_0$ ein lokales (relatives) Maximum, falls für alle $x$ in einer Umgebung $U(x_0)$ gilt: \begin{equation*} f'(x_0)=0 \qquad und \qquad f(x_0)\geq f(x) \end{equation*}
Definition[Lokales Minimum]
Eine stetige und an der Stelle $x_0$ differenzierbare Funktion $f(x)$ besitzt an einer Stelle $x_0$ ein lokales (relatives) Minimum, falls für alle $x$ in einer Umgebung $U(x_0)$ gilt: \begin{equation*} f'(x_0)=0 \qquad und \qquad f(x_0)\leq f(x) \end{equation*}
Während lokale Extremwerte den größten bzw. kleinsten Funktionswert innerhalb einer kleinen Umgebung annehmen, gilt für ein globales Extremum, dass der Funktionswert für alle $x$-Werte des Definitionsbereiches den maximalen bzw. minimalen Wert besitzt. Jeder globale Extremwert ist demnach auch ein lokaler Extremwert (Der Umkehrschluß gilt nicht!).
Definition[Globales Maximum]
Eine stetige und an der Stelle $x_0$ differenzierbare Funktion $f(x)$ besitzt an einer Stelle $x_0$ ein globales (absolutes) Maximum, falls für alle $x$ des Definitionsbereiches gilt: \begin{equation*} f'(x_0)=0 \qquad und \qquad f(x_0)\geq f(x) \qquad \forall x\in \mathbb {D} \end{equation*}
Definition[Globales Minimum]
Eine stetige und an der Stelle $x_0$ differenzierbare Funktion $f(x)$ besitzt an einer Stelle $x_0$ ein globales (absolutes) Minimum, falls für alle $x$ des Definitionsbereiches gilt: \begin{equation*} f'(x_0)=0 \qquad und \qquad f(x_0)\leq f(x) \qquad \forall x\in \mathbb {D} \end{equation*}
Mit Hilfe der Differentialrechnung lassen sich nur relative Extrema bestimmen. Erst durch den Vergleich aller lokalen Extremwerte ist es dann möglich das globale Extremum zu bestimmen. Um mit Hilfe der Differentialrechnung Extremwerte zu bestimmen, muss eine stetige und an der Stelle $x_0$ differenzierbare Funktion zwei Bedingungen, die so genannten Bedingungen 1. und 2. Ordnung erfüllen. In der Literatur wird auch von notendiger Bedingung und hinreichender Bedingung gesprochen.
Definition[Notwendige Bedingung für ein Extremum]
Besitzt eine Funktion $f(x)$ an der Stelle $x_0$ ein lokales Maximum oder Minimum, dann gilt: $f'(x_0)=0$.
Diese Bedingung ist notwendig für die Existenz eines Extremwertes aber nicht hinreichend.
Definition[Hinreichende Bedingung für ein Extremum]
Ist für eine Funktion $f(x)$ an der Stelle $x_0$ die 1.Ableitung gleich null und die 2.Ableitung ungleich null, so besitzt die Funktion als relatives Extremum:
Wichtig: Erst wenn beide Bedingungen erfüllt sind, kann die Art des Extremwertes näher bestimmt werden. Für den Fall, dass die zweite Ableitung ebenfalls null wird, muss die Ableitung höherer Ordnung gebildet werden, bis der Wert ungleich null ist.
Bei dem ermittelten Extremwert handelt es sich in diesem Fall um einen Wendepunkt bzw. einen Sattelpunkt.