Skip to main content
返回术语表
functions难度:基础functionsmonotonicityincreasing
Share

单调性dāndiàoxìng

Monotonie
4 分钟阅读
更新于 2025-01-24
已完成

Kernkonzept

Monotonie beschreibt, ob eine Funktion auf einem Intervall durchgehend steigend oder durchgehend fallend ist. Eine Funktion heißt monoton auf einem Intervall, wenn sie dort entweder ausschließlich steigend oder ausschließlich fallend ist.

Definitionen

Monoton steigende Funktion (递增函数)

Eine Funktion ff ist auf dem Intervall II monoton steigend, wenn: x1,x2I:x1<x2f(x1)<f(x2)\forall x_1, x_2 \in I: \quad x_1 < x_2 \Rightarrow f(x_1) < f(x_2)

Äquivalent: größerer Eingabewert → größerer Ausgabewert.

Monoton fallende Funktion (递减函数)

Eine Funktion ff ist auf dem Intervall II monoton fallend, wenn: x1,x2I:x1<x2f(x1)>f(x2)\forall x_1, x_2 \in I: \quad x_1 < x_2 \Rightarrow f(x_1) > f(x_2)

Äquivalent: größerer Eingabewert → kleinerer Ausgabewert.

Nicht-strikte Monotonie

  • Monoton nicht-fallend: x1<x2f(x1)f(x2)x_1 < x_2 \Rightarrow f(x_1) \leq f(x_2)
  • Monoton nicht-steigend: x1<x2f(x1)f(x2)x_1 < x_2 \Rightarrow f(x_1) \geq f(x_2)

Methoden zur Bestimmung der Monotonie

Methode 1: Definitionsmethode (定义法)

  1. Wähle beliebige x1,x2x_1, x_2 im Intervall mit x1<x2x_1 < x_2
  2. Berechne f(x1)f(x2)f(x_1) - f(x_2)
  3. Bestimme das Vorzeichen der Differenz:
    • Stets negativ → monoton steigend
    • Stets positiv → monoton fallend

Beispiel: Beweise, dass f(x)=x2f(x) = x^2 auf (0,+)(0, +\infty) monoton steigend ist.

Für 0<x1<x20 < x_1 < x_2: f(x1)f(x2)=x12x22=(x1x2)(x1+x2)f(x_1) - f(x_2) = x_1^2 - x_2^2 = (x_1 - x_2)(x_1 + x_2)

Da x1<x2x_1 < x_2: (x1x2)<0(x_1 - x_2) < 0 Da x1,x2>0x_1, x_2 > 0: (x1+x2)>0(x_1 + x_2) > 0

Daher: f(x1)f(x2)<0f(x_1) - f(x_2) < 0, also f(x1)<f(x2)f(x_1) < f(x_2).

Ergebnis: f(x)=x2f(x) = x^2 ist auf (0,+)(0, +\infty) monoton steigend.

Methode 2: Ableitungsmethode (导数法)

Für differenzierbare Funktionen:

  • f(x)>0f'(x) > 0 auf dem Intervall IIff ist auf II monoton steigend
  • f(x)<0f'(x) < 0 auf dem Intervall IIff ist auf II monoton fallend

Beispiel: Bestimme die Monotonie-Intervalle von f(x)=x33xf(x) = x^3 - 3x.

f(x)=3x23=3(x21)=3(x1)(x+1)f'(x) = 3x^2 - 3 = 3(x^2 - 1) = 3(x-1)(x+1)

  • f(x)>0f'(x) > 0: wenn x<1x < -1 oder x>1x > 1
  • f(x)<0f'(x) < 0: wenn 1<x<1-1 < x < 1

Monotonie-Intervalle:

  • Steigend: (,1)(-\infty, -1) und (1,+)(1, +\infty)
  • Fallend: (1,1)(-1, 1)

Monotonie gängiger Funktionen

FunktionSteigendes IntervallFallendes Intervall
y=kx+by = kx + b (k>0k > 0)(,+)(-\infty, +\infty)
y=kx+by = kx + b (k<0k < 0)(,+)(-\infty, +\infty)
y=x2y = x^2[0,+)[0, +\infty)(,0](-\infty, 0]
y=1xy = \dfrac{1}{x}(,0)(-\infty, 0), (0,+)(0, +\infty)
y=xy = \sqrt{x}[0,+)[0, +\infty)
y=axy = a^x (a>1a > 1)(,+)(-\infty, +\infty)
y=axy = a^x (0<a<10 < a < 1)(,+)(-\infty, +\infty)

CSCA-Übungsaufgaben

💡 Hinweis: Die folgenden Übungsaufgaben basieren auf dem CSCA-Prüfungslehrplan.

Beispiel 1: Grundlegend (Schwierigkeitsgrad ★★☆☆☆)

Bestimme die Monotonie-Intervalle von f(x)=x2+4xf(x) = -x^2 + 4x.

Lösung:

f(x)=(x24x)=(x2)2+4f(x) = -(x^2 - 4x) = -(x - 2)^2 + 4

Dies ist eine nach unten geöffnete Parabel mit Scheitelpunkt bei x=2x = 2.

  • Steigend: (,2](-\infty, 2]
  • Fallend: [2,+)[2, +\infty)

Antwort: Steigend auf (,2](-\infty, 2], fallend auf [2,+)[2, +\infty)


Beispiel 2: Mittelstufe (Schwierigkeitsgrad ★★★☆☆)

Beweise, dass f(x)=xx+1f(x) = \dfrac{x}{x+1} auf (1,+)(-1, +\infty) monoton steigend ist.

Lösung:

Seien 1<x1<x2-1 < x_1 < x_2.

f(x1)f(x2)=x1x1+1x2x2+1f(x_1) - f(x_2) = \dfrac{x_1}{x_1+1} - \dfrac{x_2}{x_2+1}

=x1(x2+1)x2(x1+1)(x1+1)(x2+1)= \dfrac{x_1(x_2+1) - x_2(x_1+1)}{(x_1+1)(x_2+1)}

=x1x2+x1x1x2x2(x1+1)(x2+1)= \dfrac{x_1x_2 + x_1 - x_1x_2 - x_2}{(x_1+1)(x_2+1)}

=x1x2(x1+1)(x2+1)= \dfrac{x_1 - x_2}{(x_1+1)(x_2+1)}

Da x1<x2x_1 < x_2: Zähler <0< 0 Da x1,x2>1x_1, x_2 > -1: (x1+1)(x2+1)>0(x_1+1)(x_2+1) > 0

Daher: f(x1)f(x2)<0f(x_1) - f(x_2) < 0, also f(x1)<f(x2)f(x_1) < f(x_2).

Ergebnis: f(x)f(x) ist auf (1,+)(-1, +\infty) monoton steigend.


Beispiel 3: Fortgeschritten (Schwierigkeitsgrad ★★★★☆)

Wenn f(x)=x22ax+1f(x) = x^2 - 2ax + 1 auf [1,+)[1, +\infty) monoton steigend ist, bestimme den Wertebereich von aa.

Lösung:

f(x)=(xa)2+1a2f(x) = (x - a)^2 + 1 - a^2

Der Scheitelpunkt liegt bei x=ax = a.

Damit f(x)f(x) auf [1,+)[1, +\infty) monoton steigend ist, muss der Scheitelpunkt bei x=1x = 1 oder links davon liegen.

Daher: a1a \leq 1

Antwort: a1a \leq 1, d.h. (,1](-\infty, 1]

Eigenschaften monotoner Funktionen

1. Kompositionsregeln

ffggfgf \circ g
SteigendSteigendSteigend
SteigendFallendFallend
FallendSteigendFallend
FallendFallendSteigend

Merkhilfe: „Gleich → Steigend, Verschieden → Fallend" (同增异减)

2. Umkehrfunktion

Wenn ff streng monoton ist, dann existiert f1f^{-1} und hat die gleiche Monotonie wie ff.

Häufige Fehler

❌ Fehler 1: Monotonie-Intervall mit Definitionsbereich verwechseln

Falsch: y=1xy = \dfrac{1}{x} ist auf (,+)(-\infty, +\infty) monoton fallend ✗

Richtig: y=1xy = \dfrac{1}{x} ist auf (,0)(-\infty, 0) UND auf (0,+)(0, +\infty) jeweils monoton fallend ✓

❌ Fehler 2: Nicht zusammenhängende Intervalle vereinigen

Falsch: y=1xy = \dfrac{1}{x} ist auf (,0)(0,+)(-\infty, 0) \cup (0, +\infty) monoton fallend ✗

Richtig: Intervalle getrennt angeben: fallend auf (,0)(-\infty, 0) und auf (0,+)(0, +\infty)

❌ Fehler 3: Randwerte beim Beweis ignorieren

Beim Beweis der Monotonie muss sichergestellt werden, dass x1<x2x_1 < x_2 beide im angegebenen Intervall liegen.

Lerntipps

  1. Definition beherrschen: x1<x2x_1 < x_2 — was folgt für f(x1)f(x_1) vs. f(x2)f(x_2)?
  2. Standardfunktionen kennen: Monotonie gängiger Funktionen auswendig lernen
  3. Ableitungen nutzen: Bei komplexen Funktionen ist die Ableitungsmethode schneller
  4. Intervalle nie zusammenlegen: Nicht zusammenhängende Intervalle stets getrennt angeben

💡 Prüfungstipp: Bei quadratischen Funktionen immer zuerst den Scheitelpunkt bestimmen. Die Monotonie wechselt am Scheitelpunkt!