Analysis-Kurvendiskussion-Gebrochenrationale Funktion
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Beispiel Nr: 20
$\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{ 2x-\frac{1}{4}}{ x^2-4} \ <br/>
\bullet \text{Funktion/Faktorisieren} \\ f\left(x\right)=\displaystyle \frac{ 2x-\frac{1}{4}}{ x^2-4}
\\
\text{Zaehler faktorisieren: } \\ 2x-\frac{1}{4} = 0 \\ \\
2 x-\frac{1}{4} =0 \qquad /+\frac{1}{4} \\
2 x= \frac{1}{4} \qquad /:2 \\
x=\displaystyle\frac{\frac{1}{4}}{2}\\
x=\frac{1}{8}
\\ \underline{x_1=\frac{1}{8}; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\
\\\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_2=-2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_3=2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\
\\ \text{Faktorisierter Term:}\\
f\left(x\right)=\displaystyle\frac{2(x-\frac{1}{8})}{(x+2)(x-2)} \\
\\
\bullet\text{Definitionsbereich:}\qquad \mathbb{D} = \mathbb{R}\setminus \left\{-2;2\right\} \\
f\left(x\right)= \displaystyle \frac{ 2x-\frac{1}{4}}{ x^2-4}
\\ \\ \bullet \text{1. Ableitungen und 2.Ableitung} \\f'\left(x\right)=\frac{ 2\cdot( x^2-4)-( 2x-\frac{1}{4})\cdot 2x}{( x^2-4)^2}\\
= \frac{( 2x^2-8)-( 4x^2-\frac{1}{2}x)}{( x^2-4)^2}\\
= \frac{-2x^2+\frac{1}{2}x-8}{( x^2-4)^2}\\
= \frac{-2x^2+\frac{1}{2}x-8}{( x^2-4)^2}\\ f''\left(x\right)=\frac{(-4x+\frac{1}{2})\cdot( x^4-8x^2+16)-(-2x^2+\frac{1}{2}x-8)\cdot( 4x^3-16x)}{( x^4-8x^2+16)^2}\\
= \frac{(-4x^5+\frac{1}{2}x^4+32x^3-4x^2-64x+8)-(-8x^5+2x^4-8x^2+128x)}{( x^4-8x^2+16)^2}\\
= \frac{ 4x^5-1\frac{1}{2}x^4+32x^3+4x^2-192x+8}{( x^4-8x^2+16)^2}\\
= \frac{ 4x^5-1\frac{1}{2}x^4+32x^3+4x^2-192x+8}{( x^4-8x^2+16)^2}
\\
\\ \bullet \text{Nullstellen / Schnittpunkt mit der x-Achse:} \\Zaehler =0 \\ 2x-\frac{1}{4} = 0 \\ \underline{x_4=\frac{1}{8}; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\
\\
\\ \bullet \text{Vorzeichentabelle:} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-2&< x <&\frac{1}{8}&< x <&2&< x\\
\hline
f(x)&-&0&+&0&-&0&+\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-2;\frac{1}{8}[\quad \cup \quad]2;\infty[\quad f(x)>0 \quad \text{oberhalb der x-Achse}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-2[\quad \cup \quad]\frac{1}{8};2[\quad f(x)<0 \quad \text{unterhalb der x-Achse}}
\\ \\
\bullet\text{Grenzwerte und Asymtoten: } \\ \\
\lim\limits_{x \rightarrow \pm\infty}{\displaystyle \frac{x( 2-\dfrac{\frac{1}{4}}{x}) }{x^2( 1-\dfrac{4}{x^2}) }}=0 \\
\text{Horizontale Asymptote: } y=0
\\\lim\limits_{x \rightarrow -2^+}{\displaystyle\frac{2(x-\frac{1}{8})}{(x+2)(x-2)}}=\infty\\
\lim\limits_{x \rightarrow -2^-}{\displaystyle\frac{2(x-\frac{1}{8})}{(x+2)(x-2)}}=-\infty\\
\\
\text{Vertikale Asymptote (Polstelle): } x=-2\\
\lim\limits_{x \rightarrow 2^+}{\displaystyle\frac{2(x-\frac{1}{8})}{(x+2)(x-2)}}=\infty\\
\lim\limits_{x \rightarrow 2^-}{\displaystyle\frac{2(x-\frac{1}{8})}{(x+2)(x-2)}}=-\infty\\
\\
\text{Vertikale Asymptote (Polstelle): } x=2\\
\\
\\ \bullet \text{Extremwerte/Hochpunkte/Tiefpunkte:} \\f'(x)=\displaystyle \frac{-2x^2+\frac{1}{2}x-8}{ x^4-8x^2+16} = 0 \\ \\
-2x^{2}+\frac{1}{2}x-8 =0\\
x_{1/2}=\displaystyle\frac{-\frac{1}{2} \pm\sqrt{\left(\frac{1}{2}\right)^{2}-4 \cdot \left(-2\right) \cdot \left(-8\right)}}{2\cdot\left(-2\right)}\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{-\frac{1}{2} \pm\sqrt{-63\frac{3}{4}}}{-4}\\
\text{Diskriminante negativ keine Lösung}
\\ \\
\, \,
\\\bullet\text{Monotonie/ streng monoton steigend (sms)/streng monoton fallend (smf) } \\f'\left(x\right)=\displaystyle \frac{-2x^2+\frac{1}{2}x-8}{ x^4-8x^2+16}\\
\,\text{Zaehler} =0 \\\,
\\\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||}
\hline
& x < &-2&< x <&2&< x\\
\hline
f'(x)&-&0&-&0&-\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-2[\quad \cup \quad]-2;2[\quad \cup \quad]2;\infty[\quad f'(x)<0 \quad \text{streng monoton fallend }} \\
\\ \bullet\text{Kruemmung} \\f''\left(x\right)=\displaystyle \frac{ 4x^5-1\frac{1}{2}x^4+32x^3+4x^2-192x+8}{ x^8-16x^6+96x^4-256x^2+256}\\
\,Zaehler =0 \\\\\\ Numerische Suche: \\ \underline{x_7=-2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_8=0,0417; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_9=2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\,
\\\text{Nullstelle des Nenners aus f(x) übernehmen} \\\underline{x_10=-2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_11=2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-2&< x <&0,0417&< x <&2&< x\\
\hline
f''(x)&-&0&+&0&-&0&+\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-2;0,0417[\quad \cup \quad]2;\infty[\quad f''(x)>0 \quad \text{linksgekrümmt}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-2[\quad \cup \quad]0,0417;2[\quad f''(x)<0 \quad \text{rechtsgekrümmt}} \\
Funktionsgraph und Wertetabelle \\
\end{array}$