Analysis-Kurvendiskussion-Gebrochenrationale Funktion
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Beispiel Nr: 09
$\begin{array}{l} \text{Gesucht:}\\ \text{Definitions- und Wertebereich}
\\ \text{Grenzwerte}
\\ \text{Symmetrie}
\\ \text{Nullstellen - Schnittpunkt mit der x-Achse}
\\ \text{Ableitungen - Stammfunktion}
\\ \text{Extremwerte - Monotonie}
\\ \text{Wendepunkte - Krümmung}
\\ \text{Funktion:}f\left(x\right)=\displaystyle \frac{-4}{ x^2-4} \ <br/>
\bullet \text{Funktion/Faktorisieren} \\ f\left(x\right)=\displaystyle \frac{-4}{ x^2-4}
\\
\text{Nenner faktorisieren:} \\ x^2-4 = 0 \\ \\
1x^2-4 =0 \qquad /+4 \\
1x^2= 4 \qquad /:1 \\
x^2=\displaystyle\frac{4}{1} \\
x=\pm\sqrt{4} \\
x_1=2 \qquad x_2=-2
\\ \underline{x_1=-2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_2=2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\
\\ \text{Faktorisierter Term:}\\
f\left(x\right)=\displaystyle\frac{-4}{(x+2)(x-2)} \\
\\
\bullet\text{Definitionsbereich:}\qquad \mathbb{D} = \mathbb{R}\setminus \left\{-2;2\right\} \\
f\left(x\right)= \displaystyle \frac{-4}{ x^2-4}
\\ \\ \bullet \text{1. Ableitungen und 2.Ableitung} \\f'\left(x\right)=\frac{0\cdot( x^2-4)-(-4)\cdot 2x}{( x^2-4)^2}\\
= \frac{0-(-8x)}{( x^2-4)^2}\\
= \frac{ 8x}{( x^2-4)^2}\\
= \frac{ 8x}{( x^2-4)^2}\\ f''\left(x\right)=\frac{ 8\cdot( x^4-8x^2+16)- 8x\cdot( 4x^3-16x)}{( x^4-8x^2+16)^2}\\
= \frac{( 8x^4-64x^2+128)-( 32x^4-128x^2)}{( x^4-8x^2+16)^2}\\
= \frac{-24x^4+64x^2+128}{( x^4-8x^2+16)^2}\\
= \frac{-24x^4+64x^2+128}{( x^4-8x^2+16)^2}
\\
\\ \bullet \text{Nullstellen / Schnittpunkt mit der x-Achse:} \\Zaehler =0 \\-4 = 0 \\ \text{keine Loesung} \\
\\
\\ \bullet \text{Vorzeichentabelle:} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-2&< x <&2&< x\\
\hline
f(x)&-&0&+&0&-\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-2;2[\quad f(x)>0 \quad \text{oberhalb der x-Achse}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-2[\quad \cup \quad]2;\infty[\quad f(x)<0 \quad \text{unterhalb der x-Achse}}
\\ \\
\bullet\text{Grenzwerte und Asymtoten: } \\ \\
\lim\limits_{x \rightarrow \pm\infty}{\displaystyle \frac{(-4)}{x^2( 1-\dfrac{4}{x^2}) }}=0 \\
\text{Horizontale Asymptote: } y=0
\\\lim\limits_{x \rightarrow -2^+}{\displaystyle\frac{-4}{(x+2)(x-2)}}=\infty\\
\lim\limits_{x \rightarrow -2^-}{\displaystyle\frac{-4}{(x+2)(x-2)}}=-\infty\\
\\
\text{Vertikale Asymptote (Polstelle): } x=-2\\
\lim\limits_{x \rightarrow 2^+}{\displaystyle\frac{-4}{(x+2)(x-2)}}=-\infty\\
\lim\limits_{x \rightarrow 2^-}{\displaystyle\frac{-4}{(x+2)(x-2)}}=\infty\\
\\
\text{Vertikale Asymptote (Polstelle): } x=2\\
\\
\\ \bullet \text{Extremwerte/Hochpunkte/Tiefpunkte:} \\f'(x)=\displaystyle \frac{ 8x}{ x^4-8x^2+16} = 0 \\ x=0 \Rightarrow x=0 \\ \underline{x_3=0; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\f''(0)=\frac{1}{2}>0 \Rightarrow \underline{\text{Tiefpunkt:} (0/1)}
\\ \\
\, \,
\\\bullet\text{Monotonie/ streng monoton steigend (sms)/streng monoton fallend (smf) } \\f'\left(x\right)=\displaystyle \frac{ 8x}{ x^4-8x^2+16}\\
\,\text{Zaehler} =0 \\\underline{x_4=0; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\,
\\\text{Nullstellen des Nenners aus f(x) übernehmen} \\\underline{x_5=-2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_6=2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\,
\\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-2&< x <&0&< x <&2&< x\\
\hline
f'(x)&-&0&-&0&+&0&+\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]0;2[\quad \cup \quad]2;\infty[\quad f'(x)>0 \quad \text{streng monoton steigend }}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-2[\quad \cup \quad]-2;0[\quad f'(x)<0 \quad \text{streng monoton fallend }} \\
\\ \bullet\text{Kruemmung} \\f''\left(x\right)=\displaystyle \frac{-24x^4+64x^2+128}{ x^8-16x^6+96x^4-256x^2+256}\\
\,Zaehler =0 \\\\
\\
u=x^{2} \qquad u^2=x^{4} \\
-24u^{2}+64u+128 =0 \\
\\
u_{1/2}=\displaystyle\frac{-64 \pm\sqrt{64^{2}-4\cdot \left(-24\right) \cdot 128}}{2\cdot\left(-24\right)}
\\
u_{1/2}=\displaystyle \frac{-64 \pm\sqrt{1,64\cdot 10^{4}}}{-48}
\\
u_{1/2}=\displaystyle \frac{-64 \pm128}{-48}
\\
u_{1}=\displaystyle \frac{-64 +128}{-48} \qquad u_{2}=\displaystyle \frac{-64 -128}{-48}
\\
u_{1}=-1\frac{1}{3} \qquad u_{2}=4
\\
x^2= -1\frac{1}{3}
x=\pm\sqrt{-1\frac{1}{3}} \\
\text{Diskriminante negativ keine Lösung}
\\
x^2= 4 \\
x=\pm\sqrt{4} \\
x_1=2 \qquad x_2=-2
\\ \underline{x_7=-2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_8=2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\,
\\\text{Nullstelle des Nenners aus f(x) übernehmen} \\\underline{x_9=-2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_10=2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-2&< x <&2&< x\\
\hline
f''(x)&-&0&+&0&-\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-2;2[\quad f''(x)>0 \quad \text{linksgekrümmt}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-2[\quad \cup \quad]2;\infty[\quad f''(x)<0 \quad \text{rechtsgekrümmt}} \\
Funktionsgraph und Wertetabelle \\
\end{array}$