Analysis-Kurvendiskussion-Gebrochenrationale Funktion
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Beispiel Nr: 22
$\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{-1\frac{1}{2}x+2}{ x^2-6x+9} \ <br/>
\bullet \text{Funktion/Faktorisieren} \\ f\left(x\right)=\displaystyle \frac{-1\frac{1}{2}x+2}{ x^2-6x+9}
\\
\text{Zaehler faktorisieren: } \\-1\frac{1}{2}x+2 = 0 \\ \\
-1\frac{1}{2} x+2 =0 \qquad /-2 \\
-1\frac{1}{2} x= -2 \qquad /:\left(-1\frac{1}{2}\right) \\
x=\displaystyle\frac{-2}{-1\frac{1}{2}}\\
x=1\frac{1}{3}
\\ \underline{x_1=1\frac{1}{3}; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\
\\\text{Nenner faktorisieren:} \\ x^2-6x+9 = 0 \\ \\
\\
1x^{2}-6x+9 =0
\\
x_{1/2}=\displaystyle\frac{+6 \pm\sqrt{\left(-6\right)^{2}-4\cdot 1 \cdot 9}}{2\cdot1}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{+6 \pm\sqrt{0}}{2}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{6 \pm0}{2}
\\
x_{1}=\displaystyle \frac{6 +0}{2} \qquad x_{2}=\displaystyle \frac{6 -0}{2}
\\
x_{1}=3 \qquad x_{2}=3
\\ \underline{x_2=3; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\
\\ \text{Faktorisierter Term:}\\
f\left(x\right)=\displaystyle\frac{-1\frac{1}{2}(x-1\frac{1}{3})}{(x-3)^2} \\
\\
\bullet\text{Definitionsbereich:}\qquad \mathbb{D} = \mathbb{R}\setminus \left\{3\right\} \\
f\left(x\right)= \displaystyle \frac{-1\frac{1}{2}x+2}{ x^2-6x+9}
\\ \\ \bullet \text{1. Ableitungen und 2.Ableitung} \\f'\left(x\right)=\frac{(-1\frac{1}{2})\cdot( x^2-6x+9)-(-1\frac{1}{2}x+2)\cdot( 2x-6)}{( x^2-6x+9)^2}\\
= \frac{(-1\frac{1}{2}x^2+9x-13\frac{1}{2})-(-3x^2+13x-12)}{( x^2-6x+9)^2}\\
= \frac{ 1\frac{1}{2}x^2-4x-1\frac{1}{2}}{( x^2-6x+9)^2}\\
= \frac{ 1\frac{1}{2}x^2-4x-1\frac{1}{2}}{( x^2-6x+9)^2}
\\ =\displaystyle\frac{1\frac{1}{2}(x+\frac{1}{3})(x-3)}{(x-3)^4}
\\ =\displaystyle\frac{1\frac{1}{2}(x+\frac{1}{3})}{(x-3)^3}
\\ =\displaystyle \frac{ 1\frac{1}{2}x+\frac{1}{2}}{ x^3-9x^2+27x-27}\\ f''\left(x\right)=\frac{ 1\frac{1}{2}\cdot( x^3-9x^2+27x-27)-( 1\frac{1}{2}x+\frac{1}{2})\cdot( 3x^2-18x+27)}{( x^3-9x^2+27x-27)^2}\\
= \frac{( 1\frac{1}{2}x^3-13\frac{1}{2}x^2+40\frac{1}{2}x-40\frac{1}{2})-( 4\frac{1}{2}x^3-25\frac{1}{2}x^2+31\frac{1}{2}x+13\frac{1}{2})}{( x^3-9x^2+27x-27)^2}\\
= \frac{-3x^3+12x^2+9x-54}{( x^3-9x^2+27x-27)^2}\\
= \frac{-3x^3+12x^2+9x-54}{( x^3-9x^2+27x-27)^2}
\\
\\ \bullet \text{Nullstellen / Schnittpunkt mit der x-Achse:} \\Zaehler =0 \\-1\frac{1}{2}x+2 = 0 \\ \underline{x_3=1\frac{1}{3}; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\
\\
\\ \bullet \text{Vorzeichentabelle:} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &1\frac{1}{3}&< x <&3&< x\\
\hline
f(x)&+&0&-&0&-\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;1\frac{1}{3}[\quad f(x)>0 \quad \text{oberhalb der x-Achse}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]1\frac{1}{3};3[\quad \cup \quad]3;\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(-1\frac{1}{2}+\dfrac{2}{x}) }{x^2( 1-\dfrac{6}{x}+\dfrac{9}{x^2}) }}=0 \\
\text{Horizontale Asymptote: } y=0
\\\lim\limits_{x \rightarrow 3^+}{\displaystyle\frac{-1\frac{1}{2}(x-1\frac{1}{3})}{(x-3)^2}}=-\infty\\
\lim\limits_{x \rightarrow 3^-}{\displaystyle\frac{-1\frac{1}{2}(x-1\frac{1}{3})}{(x-3)^2}}=-\infty\\
\\
\text{Vertikale Asymptote (Polstelle): } x=3\\
\\
\\ \bullet \text{Extremwerte/Hochpunkte/Tiefpunkte:} \\f'(x)=\displaystyle \frac{ 1\frac{1}{2}x+\frac{1}{2}}{ x^3-9x^2+27x-27} = 0 \\ \\
1\frac{1}{2} x+\frac{1}{2} =0 \qquad /-\frac{1}{2} \\
1\frac{1}{2} x= -\frac{1}{2} \qquad /:1\frac{1}{2} \\
x=\displaystyle\frac{-\frac{1}{2}}{1\frac{1}{2}}\\
x=-\frac{1}{3}
\\ \underline{x_4=-\frac{1}{3}; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\f''(-\frac{1}{3})=-0,0405 \\
f''(-\frac{1}{3})<0 \Rightarrow \underline{\text{Hochpunkt:} (-\frac{1}{3}/\frac{9}{40})}
\\ \\
\, \,
\\\bullet\text{Monotonie/ streng monoton steigend (sms)/streng monoton fallend (smf) } \\f'\left(x\right)=\displaystyle \frac{ 1\frac{1}{2}x+\frac{1}{2}}{ x^3-9x^2+27x-27}\\
\,\text{Zaehler} =0 \\\underline{x_5=-\frac{1}{3}; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\,
\\\text{Nullstellen des Nenners aus f(x) übernehmen} \\\underline{x_6=3; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\\,
\\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-\frac{1}{3}&< x <&3&< x\\
\hline
f'(x)&+&0&-&0&+\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-\frac{1}{3}[\quad \cup \quad]3;\infty[\quad f'(x)>0 \quad \text{streng monoton steigend }}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\frac{1}{3};3[\quad f'(x)<0 \quad \text{streng monoton fallend }} \\
\\ \bullet\text{Kruemmung} \\f''\left(x\right)=\displaystyle \frac{-3x^3+12x^2+9x-54}{ x^6-18x^5+135x^4-540x^3+1,22\cdot 10^{3}x^2-1,46\cdot 10^{3}x+729}\\
\,Zaehler =0 \\\\-3x^3+12x^2+9x-54=0 \\\\ \text{Nullstelle für Polynmomdivision erraten:}-2\\
\,\small \begin{matrix} (-3x^3&+12x^2&+9x&-54&):( x +2 )=-3x^2 +18x -27 \\
\,-(-3x^3&-6x^2) \\ \hline
& 18x^2&+9x&-54&\\
&-( 18x^2&+36x) \\ \hline
&&-27x&-54&\\
&&-(-27x&-54) \\ \hline
&&&0\\
\end{matrix} \\ \normalsize \\
\\
-3x^{2}+18x-27 =0
\\
x_{1/2}=\displaystyle\frac{-18 \pm\sqrt{18^{2}-4\cdot \left(-3\right) \cdot \left(-27\right)}}{2\cdot\left(-3\right)}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{-18 \pm\sqrt{0}}{-6}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{-18 \pm0}{-6}
\\
x_{1}=\displaystyle \frac{-18 +0}{-6} \qquad x_{2}=\displaystyle \frac{-18 -0}{-6}
\\
x_{1}=3 \qquad x_{2}=3
\\ \underline{x_7=-2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_8=3; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\\,
\\\text{Nullstelle des Nenners aus f(x) übernehmen} \\\underline{x_9=3; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-2&< x <&3&< x\\
\hline
f''(x)&+&0&-&0&-\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-2[\quad f''(x)>0 \quad \text{linksgekrümmt}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-2;3[\quad \cup \quad]3;\infty[\quad f''(x)<0 \quad \text{rechtsgekrümmt}} \\
Funktionsgraph und Wertetabelle \\
\end{array}$