Analysis-Kurvendiskussion-Gebrochenrationale Funktion
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Beispiel Nr: 14
$\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{-3x+3}{ 2x^2+4x+2} \ <br/>
\bullet \text{Funktion/Faktorisieren} \\ f\left(x\right)=\displaystyle \frac{-3x+3}{ 2x^2+4x+2}
\\
\text{Zaehler faktorisieren: } \\-3x+3 = 0 \\ \\
-3 x+3 =0 \qquad /-3 \\
-3 x= -3 \qquad /:\left(-3\right) \\
x=\displaystyle\frac{-3}{-3}\\
x=1
\\ \underline{x_1=1; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\
\\\text{Nenner faktorisieren:} \\ 2x^2+4x+2 = 0 \\ \\
\\
2x^{2}+4x+2 =0
\\
x_{1/2}=\displaystyle\frac{-4 \pm\sqrt{4^{2}-4\cdot 2 \cdot 2}}{2\cdot2}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{-4 \pm\sqrt{0}}{4}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{-4 \pm0}{4}
\\
x_{1}=\displaystyle \frac{-4 +0}{4} \qquad x_{2}=\displaystyle \frac{-4 -0}{4}
\\
x_{1}=-1 \qquad x_{2}=-1
\\ \underline{x_2=-1; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\
\\ \text{Faktorisierter Term:}\\
f\left(x\right)=\displaystyle\frac{-3(x-1)}{2(x+1)^2} \\
\\
\bullet\text{Definitionsbereich:}\qquad \mathbb{D} = \mathbb{R}\setminus \left\{-1\right\} \\
f\left(x\right)= \displaystyle \frac{-1\frac{1}{2}x+1\frac{1}{2}}{ x^2+2x+1}
\\ \\ \bullet \text{1. Ableitungen und 2.Ableitung} \\f'\left(x\right)=\frac{(-1\frac{1}{2})\cdot( x^2+2x+1)-(-1\frac{1}{2}x+1\frac{1}{2})\cdot( 2x+2)}{( x^2+2x+1)^2}\\
= \frac{(-1\frac{1}{2}x^2-3x-1\frac{1}{2})-(-3x^2+3)}{( x^2+2x+1)^2}\\
= \frac{ 1\frac{1}{2}x^2-3x-4\frac{1}{2}}{( x^2+2x+1)^2}\\
= \frac{ 1\frac{1}{2}x^2-3x-4\frac{1}{2}}{( x^2+2x+1)^2}
\\ =\displaystyle\frac{1\frac{1}{2}(x+1)(x-3)}{(x+1)^4}
\\ =\displaystyle\frac{1\frac{1}{2}(x-3)}{(x+1)^3}
\\ =\displaystyle \frac{ 1\frac{1}{2}x-4\frac{1}{2}}{ x^3+3x^2+3x+1}\\ f''\left(x\right)=\frac{ 1\frac{1}{2}\cdot( x^3+3x^2+3x+1)-( 1\frac{1}{2}x-4\frac{1}{2})\cdot( 3x^2+6x+3)}{( x^3+3x^2+3x+1)^2}\\
= \frac{( 1\frac{1}{2}x^3+4\frac{1}{2}x^2+4\frac{1}{2}x+1\frac{1}{2})-( 4\frac{1}{2}x^3-4\frac{1}{2}x^2-22\frac{1}{2}x-13\frac{1}{2})}{( x^3+3x^2+3x+1)^2}\\
= \frac{-3x^3+9x^2+27x+15}{( x^3+3x^2+3x+1)^2}\\
= \frac{-3x^3+9x^2+27x+15}{( x^3+3x^2+3x+1)^2}
\\
\\ \bullet \text{Nullstellen / Schnittpunkt mit der x-Achse:} \\Zaehler =0 \\-1\frac{1}{2}x+1\frac{1}{2} = 0 \\ \underline{x_3=1; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\
\\
\\ \bullet \text{Vorzeichentabelle:} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-1&< x <&1&< x\\
\hline
f(x)&+&0&+&0&-\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-1[\quad \cup \quad]-1;1[\quad f(x)>0 \quad \text{oberhalb der x-Achse}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]1;\infty[\quad f(x)<0 \quad \text{unterhalb der x-Achse}}
\\ \\
\bullet\text{Grenzwerte und Asymtoten: } \\ \\
\lim\limits_{x \rightarrow \pm\infty}{\displaystyle \frac{x(-3+\dfrac{3}{x}) }{x^2( 2+\dfrac{4}{x}+\dfrac{2}{x^2}) }}=0 \\
\text{Horizontale Asymptote: } y=0
\\\lim\limits_{x \rightarrow -1^+}{\displaystyle\frac{-1\frac{1}{2}(x-1)}{(x+1)^2}}=\infty\\
\lim\limits_{x \rightarrow -1^-}{\displaystyle\frac{-1\frac{1}{2}(x-1)}{(x+1)^2}}=\infty\\
\\
\text{Vertikale Asymptote (Polstelle): } x=-1\\
\\
\\ \bullet \text{Extremwerte/Hochpunkte/Tiefpunkte:} \\f'(x)=\displaystyle \frac{ 1\frac{1}{2}x-4\frac{1}{2}}{ x^3+3x^2+3x+1} = 0 \\ \\
1\frac{1}{2} x-4\frac{1}{2} =0 \qquad /+4\frac{1}{2} \\
1\frac{1}{2} x= 4\frac{1}{2} \qquad /:1\frac{1}{2} \\
x=\displaystyle\frac{4\frac{1}{2}}{1\frac{1}{2}}\\
x=3
\\ \underline{x_4=3; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\f''(3)=0,0234>0 \Rightarrow \underline{\text{Tiefpunkt:} (3/-\frac{3}{16})}
\\ \\
\, \,
\\\bullet\text{Monotonie/ streng monoton steigend (sms)/streng monoton fallend (smf) } \\f'\left(x\right)=\displaystyle \frac{ 1\frac{1}{2}x-4\frac{1}{2}}{ x^3+3x^2+3x+1}\\
\,\text{Zaehler} =0 \\\underline{x_5=3; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\,
\\\text{Nullstellen des Nenners aus f(x) übernehmen} \\\underline{x_6=-1; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\\,
\\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-1&< x <&3&< x\\
\hline
f'(x)&+&0&-&0&+\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-1[\quad \cup \quad]3;\infty[\quad f'(x)>0 \quad \text{streng monoton steigend }}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-1;3[\quad f'(x)<0 \quad \text{streng monoton fallend }} \\
\\ \bullet\text{Kruemmung} \\f''\left(x\right)=\displaystyle \frac{-3x^3+9x^2+27x+15}{ x^6+6x^5+15x^4+20x^3+15x^2+6x+1}\\
\,Zaehler =0 \\\\-3x^3+9x^2+27x+15=0 \\\\ \text{Nullstelle für Polynmomdivision erraten:}-1\\
\,\small \begin{matrix} (-3x^3&+9x^2&+27x&+15&):( x +1 )=-3x^2 +12x +15 \\
\,-(-3x^3&-3x^2) \\ \hline
& 12x^2&+27x&+15&\\
&-( 12x^2&+12x) \\ \hline
&& 15x&+15&\\
&&-( 15x&+15) \\ \hline
&&&0\\
\end{matrix} \\ \normalsize \\
\\
-3x^{2}+12x+15 =0
\\
x_{1/2}=\displaystyle\frac{-12 \pm\sqrt{12^{2}-4\cdot \left(-3\right) \cdot 15}}{2\cdot\left(-3\right)}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{-12 \pm\sqrt{324}}{-6}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{-12 \pm18}{-6}
\\
x_{1}=\displaystyle \frac{-12 +18}{-6} \qquad x_{2}=\displaystyle \frac{-12 -18}{-6}
\\
x_{1}=-1 \qquad x_{2}=5
\\ \underline{x_7=-1; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_8=5; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\,
\\\text{Nullstelle des Nenners aus f(x) übernehmen} \\\underline{x_9=-1; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-1&< x <&5&< x\\
\hline
f''(x)&+&0&+&0&-\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-1[\quad \cup \quad]-1;5[\quad f''(x)>0 \quad \text{linksgekrümmt}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]5;\infty[\quad f''(x)<0 \quad \text{rechtsgekrümmt}} \\
Funktionsgraph und Wertetabelle \\
\end{array}$