Graphen können achsensymmetrisch oder punktsymmetrisch sein.
Bei einer Achsensymmetrie zur y-Achse gilt:
Man sagt auch: die Funktion f ist gerade.
Bei Punktsymmetrie zum Ursprung gilt:
Man sagt auch: die Funktion f ist ungerade.
Bestimmung der Symmetrie
Mit folgenden Schritten kannst du herausfinden, ob der Graph einer gegebenen Funktion
achsensymmetrisch zur -Achse oder
punktsymmetrisch zum Ursprung ist
Setze für in die Funktion ein:
Forme um, indem du alle Klammern, in denen steht, umformst
Vergleiche diese Funktion mit der ursprünglichen Funktion .
Folgende Fälle können eintreten:
Fall | Folgerung |
---|---|
Der Graph von ist achsensymmetrisch zur -Achse. | |
Der Graph von ist punktsymmetrisch zum Ursprung. | |
ist weder noch | Der Graph von ist nicht achsensymmetrisch zur y-Achse und nicht punktsymmetrisch zum Ursprung. |
Beispiele
Beispiel 1)
Gegeben ist die Funktion . Wir wollen untersuchen, ob der Graph von achsensymmetrisch zur -Achse oder punktsymmetrisch zum Ursprung ist. Dafür setzen wir in den Wert ein:
Setze in statt den Wert ein. | |||
↓ | |||
↓ | Vereinfache. | ||
↓ | |||
und somit: Der Graph von ist achsensymmetrisch zur -Achse.
Dass die Rechnung stimmt, sieht man auch, wenn man den Graphen von ansieht.
Beispiel 2)
Gegeben ist die Funktion . Wir untersuchen, ob der Graph von achsensymmetrisch zur -Achse oder punktsymmetrisch zum Ursprung ist. Dafür setzen wir in den Wert ein.
Setze in statt den Wert ein. | |||
↓ | |||
↓ | Vereinfache. | ||
↓ | Ziehe das Minus im Zähler vor den Bruch. | ||
und somit: Der Graph von ist punktsymmetrisch zum Ursprung.
Zeichnet man den Graphen von , sieht man die Punktsymmetrie zum Ursprung.
Beispiel 3)
Gegeben ist die Funktion . Wir untersuchen, ob der Graph von achsensymmetrisch zur -Achse oder punktsymmetrisch zum Ursprung ist. Dafür setzen wir in den Wert ein.
Setze in statt den Wert ein. | |||
↓ | |||
↓ | Vereinfache. | ||
↓ | Ziehe das Minus im Zähler vor den Bruch. | ||
ist also weder noch und somit weder achsensymmetrisch zur y-Achse noch punktsymmetrisch zum Ursprung.
Bemerkung: ist zwar nicht punktsymmetrisch zum Ursprung, aber zu einem anderen Punkt - und zwar zum Punkt .
Hilfreiche Regel für Polynomfunktionen
Auch bei Polynomen kannst du überprüfen, ob entweder oder entspricht. Die folgenden Regeln zeigen dir, wie es schneller gehen kann:
Beispiele
Das Polynom ist achsensymmetrisch zur -Achse, da es nur die geraden Potenzen , sowie die (für die Konstante ) enthält.
Das Polynom ist punktsymmetrisch zum Ursprung, da es nur die ungeraden Potenzen und enthält.
Das Polynom ist weder achsensymmetrisch zur -Achse noch punktsymmetrisch zum Ursprung, da es sowohl gerade (), die Null sowie ungerade () Potenzen enthält.
Video zur Symmetrie
Hilfreiche Regel für gebrochenrationale Funktionen
Auch bei gebrochenrationalen Funktionen kannst du überprüfen, ob entweder oder entspricht. Die folgenden Regeln zeigen dir, wie es schneller gehen kann:
Beispiele
Beispiel 1)
Der Graph der Funktion ist achsensymmetrisch zur -Achse, weil der Graph der Zählerfunktion achsensymmetrisch zur -Achse ist und der Graph der Nennerfunktion wegen achsensymmetrisch zur -Achse ist.
Beispiel 2)
Der Graph der Funktion ist punktsymmetrisch zum Ursprung, weil der Graph der Zählerfunktion wegen punktsymmetrisch zum Ursprung ist und der Graph der Nennerfunktion achsensymmetrisch zur -Achse ist.
Beispiel 3)
Gegeben ist die Funktion . Der Graph der Nennerfunktion ist punktsymmetrisch zum Ursprung, weil diese Polynomfunktion nur ungerade Exponenten enthält. Der Graph der Polynom-Zählerfunktion ist weder punktsymmetrisch zum Ursprung, noch achsensymmetrisch zur -Achse, weil sie sowohl gerade als auch ungerade Exponenten enthält. Deshalb ist auch der Graph der gesamten Funktion weder achsensymmetrisch zur -Achse noch punktsymmetrisch zum Ursprung.
Symmetrie von Ableitungen und Stammfunktionen
Symmetrie von Ableitungen
Allgemein gilt:
Ist der Graph einer Funktion punktsymmetrisch zu einem Punkt , dann ist der Graph der Ableitungsfunktion achsensymmetrisch zur Achse .
Ist der Graph einer Funktion achsensymmetrisch zur Achse , dann ist der Graph der Ableitungsfunktion punktsymmetrisch zum Punkt .
Beispiele
Der braune Graph der Funktion ist punktsymmetrisch zum Ursprung. Der grüne Graph der Ableitungsfunktion ist eine Parabel, die achsensymmetrisch zur -Achse ist.
Der rote Graph der Funktion ist achsensymmetrisch zur -Achse. Leitet man ab, so erhält man dessen Graph du hier in dunkelblau sehen kannst. Der Graph von der Ableitungsfunktion ist punktsymmetrisch zum Ursprung.
Der Graph der Funktion ist hier in orange zu sehen. Er ist punktsymmetrisch zum markierten Punkt . Leitet man ab, so erhält man die Ableitungsfunktion . Ihr Graph ist in lila dargestellt. Der Graph von ist eine Parabel, die achsensymmetrisch zur Achse ist. Die -Koordinate des Symmetriepunktes von entspricht also genau der Symmetrieachse der Ableitungsfunktion .
Der braune Graph der Funktion ist achsensymmetrisch zur Achse . Indem du ableitest, erhältst du . Den Graphen von kannst du hier in dunkelgrün sehen. Du siehst, dass punktsymmetrisch zum Punkt ist. Die -Koordinate dieses Punktes liegt genau auf der Symmetrieachse von . Die -Koordinate des Symmetriepunktes ist
Symmetrie von Stammfunktionen
Allgemein gilt:
Aus der Punktsymmetrie des Graphen von zu einem allgemeinen Punkt lassen sich keine allgemeinen Symmetrieregeln für den Graphen von ableiten.
Ist der Graph von achsensymmetrisch zu einer Achse , dann ist der Graph von punktsymmetrisch zu einem Punkt, der auf dieser Symmetrieachse liegt, d.h. zum Punkt . Dabei ist eine "wählbare" -Koordinate, die von der Verschiebung der Stammfunktion in -Richtung abhängt.
Beispiele
Die Parabel ist achsensymmetrisch zur -Achse. Eine zugehörige Stammfunktion ist hier in dunkelblau dargestellt. Diese ist punktsymmetrisch zum Ursprung. Allerdings dürfen wir aufgrund der Integrationskonstante beliebig in -Richtung nach oben und unten verschieben. könnte daher also beispielsweise bei Verschiebung um Einheiten nach oben auch punktsymmetrisch zum Punkt sein. Aber egal, um wie viel wir nach oben und unten verschieben: die -Koordinate des Symmetriepunkts liegt stets auf der -Achse.
Die in schwarz dargestellte Funktion ist punktsymmetrisch zum Ursprung. ist eine mögliche Stammfunktion von . Diese ist achsensymmetrisch zur -Achse.
Die hier blau dargestellte Funktion ist punktsymmetrisch zum Punkt . Eine mögliche Stammfunktion kannst du in orange sehen. ist weder achsensymmetrisch noch punktsymmetrisch zu einem beliebigen Punkt - unabhängig davon, wie man die Stammfunktion nach oben und unten in -Richtung verschiebt.
Die lila Parabel ist achsensymmetrisch zur Achse . Eine zugehörige Stammfunktion (hier in grün) ist punktsymmetrisch zum Punkt . Du darfst aufgrund der Integrationskonstante beliebig in -Richtung nach oben und unten verschieben. Dann ändert sich die -Koordinate des Symmetriepunktes, aber die -Koordinate wird immer bei bleiben - also auf der Symmetrieachse der Parabel liegen.
Allgemeine Symmetrie
Der Graph einer Funktion kann im Allgemeinen nicht nur achsensymmetrisch zur -Achse, sondern auch zu einer beliebig anderen senkrechten Achse achsensymmetrisch sein.
Beispielsweise ist die Funktion achsensymmetrisch zur Achse .
Analog kann der Graph einer Funktion auch zu einem beliebigen anderen Punkt - als nur zum Ursprung - punktsymmetrisch sein.
Zum Beispiel ist die Funktion punktsymmetrisch zum Punkt .
Überprüfung, ob zu einer bekannten allgemeinen Achse achsensymmetrisch ist
Die y-Achse ist der Spezialfall .
Beispiel
Überprüfe, ob die Funktion achsensymmetrisch zur Achse ist.
Als Erstes berechnen wir .
Dafür setzen wir in den Funktionsterm ein | |||
↓ | |||
↓ | Wir wenden die binomische Formel an und multiplizieren aus | ||
↓ | Nun fassen wir zusammen | ||
Also ist .
Als Nächstes berechnen wir .
Dafür setzen wir in den Funktionsterm ein | |||
↓ | |||
↓ | Wir wenden die binomische Formel an und multiplizieren aus | ||
↓ | Nun fassen wir zusammen | ||
Also ist .
Sowohl als auch . Weil bei beiden dasselbe herauskommt, ist tatsächlich achsensymmetrisch zur Achse .
Überprüfung, ob zu einem bekannten allgemeinen Punkt punktsymmetrisch ist
Der Ursprung ist der Spezialfall .
Beispiel
Prüfe, ob die Funktion punktsymmetrisch zum Punkt ist.
Als Erstes berechnen wir
Dafür setzen wir im Funktionsterm für ein und addieren am Ende noch | |||
↓ | |||
↓ | Vereinfachen | ||
Also ist .
Als Nächstes berechnen wir
Dafür setzen wir für ein, multiplizieren den Funktionsterm mit und ziehen ab Schluss noch die ab. | |||
↓ | |||
↓ | Vereinfachen | ||
↓ | Jetzt lösen wir die Minusklammer auf | ||
Also ist , genauso wie . Deswegen ist punktsymmetrisch zu .
Allgemeine Symmetrieachse eines Funktionsgraphen berechnen
1) Berechnung für Polynomfunktionen
Nur Polynomfunktion geraden Grades kommen für Achsensymmetrie infrage.
Hinweis: Die Proberechnung ist in diesem Fall unerlässlich, weil wir zu Beginn der Rechnung gar nicht wissen, ob der Graph von überhaupt achsensymmetrisch ist.
Beispiel
Wir wollen die Symmetrieachse der Funktion berechnen.
Die Funktion ist . Grades, deshalb berechnen wir nun die -te Ableitung, also die . Ableitung:
Als Nächstes berechnen wir die Nullstelle der dritten Ableitung:
Eine mögliche Symmetrieachse von ist also .
Durch eine Proberechnung mit können wir feststellen, dass es sich hierbei wirklich um die Symmetrieachse von handelt.
2) Berechnung für gebrochenrationale Funktionen
Hier fehlt noch eine Erklärung der Berechnung der Achsensymmetrie von gebrochenrationalen Funktionen.
Allgemeinen Symmetriepunkt eines Funktionsgraphen berechnen
1) Berechnung für Polynomfunktionen
Nur Polynomfunktionen ungeraden Grades kommen für die Punktsymmetrie infrage.
Hinweis: Die Proberechnung ist in diesem Fall unerlässlich, weil wir zu Beginn der Rechnung gar nicht wissen, ob der Graph von überhaupt punktsymmetrisch ist.
Beispiel
Wir wollen berechnen, zu welchem Punkt der Graph der Funktion punktsymmetrisch ist.
ist eine Polynomfunktion dritten Grades. Deshalb berechnen wir nun die -te Ableitung, also die zweite Ableitung:
Nun berechnen wir die Nullstelle der zweiten Ableitung:
Die -Koordinate des potentiellen Symmetriepunktes ist also . Um die -Koordinate des Punktes zu erhalten, setzen wir die -Koordinate in ein:
Der mögliche Symmetriepunkt von ist also .
Durch eine Proberechnung mit können wir feststellen, dass es sich hierbei wirklich um den Symmetriepunkt von handelt.
2) Berechnung für gebrochenrationale Funktionen
Hier fehlt noch eine Erklärung der Berechnung der Punktsymmetrie von gebrochenrationalen Funktionen.
Übungsaufgaben: Symmetrie von Graphen
Weitere Aufgaben zum Thema findest du im folgenden Aufgabenordner:
Aufgaben zur Symmetrie von Graphen