Analysis-Kurvendiskussion-Gebrochenrationale Funktion
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Beispiel Nr: 23
$\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}{ x^3+3x^2+3x+1} \ <br/>
\bullet \text{Funktion/Faktorisieren} \\ f\left(x\right)=\displaystyle \frac{ 1}{ x^3+3x^2+3x+1}
\\
\text{Nenner faktorisieren:} \\ x^3+3x^2+3x+1 = 0 \\ \\ x^3+3x^2+3x+1=0 \\\\ \text{Nullstelle für Polynmomdivision erraten:}-1\\
\,\small \begin{matrix} ( x^3&+3x^2&+3x&+1&):( x +1 )= x^2 +2x +1 \\
\,-( x^3&+x^2) \\ \hline
& 2x^2&+3x&+1&\\
&-( 2x^2&+2x) \\ \hline
&& x&+1&\\
&&-( x&+1) \\ \hline
&&&0\\
\end{matrix} \\ \normalsize \\
\\
1x^{2}+2x+1 =0
\\
x_{1/2}=\displaystyle\frac{-2 \pm\sqrt{2^{2}-4\cdot 1 \cdot 1}}{2\cdot1}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{-2 \pm\sqrt{0}}{2}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{-2 \pm0}{2}
\\
x_{1}=\displaystyle \frac{-2 +0}{2} \qquad x_{2}=\displaystyle \frac{-2 -0}{2}
\\
x_{1}=-1 \qquad x_{2}=-1
\\ \underline{x_1=-1; \quad3\text{-fache Nullstelle}} \\
\\ \text{Faktorisierter Term:}\\
f\left(x\right)=\displaystyle\frac{ 1}{(x+1)^3} \\
\\
\bullet\text{Definitionsbereich:}\qquad \mathbb{D} = \mathbb{R}\setminus \left\{-1\right\} \\
f\left(x\right)= \displaystyle \frac{ 1}{ x^3+3x^2+3x+1}
\\ \\ \bullet \text{1. Ableitungen und 2.Ableitung} \\f'\left(x\right)=\frac{0\cdot( x^3+3x^2+3x+1)- 1\cdot( 3x^2+6x+3)}{( x^3+3x^2+3x+1)^2}\\
= \frac{0-( 3x^2+6x+3)}{( x^3+3x^2+3x+1)^2}\\
= \frac{-3x^2-6x-3}{( x^3+3x^2+3x+1)^2}\\
= \frac{-3x^2-6x-3}{( x^3+3x^2+3x+1)^2}\\ f''\left(x\right)=\frac{(-6x-6)\cdot( x^6+6x^5+15x^4+20x^3+15x^2+6x+1)-(-3x^2-6x-3)\cdot( 6x^5+30x^4+60x^3+60x^2+30x+6)}{( x^6+6x^5+15x^4+20x^3+15x^2+6x+1)^2}\\
= \frac{(-6x^7-42x^6-126x^5-210x^4-210x^3-126x^2-42x-6)-(-18x^7-126x^6-378x^5-630x^4-630x^3-378x^2-126x-18)}{( x^6+6x^5+15x^4+20x^3+15x^2+6x+1)^2}\\
= \frac{ 12x^7+84x^6+252x^5+420x^4+420x^3+252x^2+84x+12}{( x^6+6x^5+15x^4+20x^3+15x^2+6x+1)^2}\\
= \frac{ 12x^7+84x^6+252x^5+420x^4+420x^3+252x^2+84x+12}{( x^6+6x^5+15x^4+20x^3+15x^2+6x+1)^2}
\\
\\ \bullet \text{Nullstellen / Schnittpunkt mit der x-Achse:} \\Zaehler =0 \\ 1 = 0 \\ \text{keine Loesung} \\
\\
\\ \bullet \text{Vorzeichentabelle:} \\
\begin{array}{|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-1&< x\\
\hline
f(x)&-&0&+\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-1;\infty[\quad f(x)>0 \quad \text{oberhalb der x-Achse}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-1[\quad f(x)<0 \quad \text{unterhalb der x-Achse}}
\\ \\
\bullet\text{Grenzwerte und Asymtoten: } \\ \\
\lim\limits_{x \rightarrow \pm\infty}{\displaystyle \frac{1}{x^3( 1+\dfrac{3}{x}+\dfrac{3}{x^2}+\dfrac{1}{x^3}) }}=0 \\
\text{Horizontale Asymptote: } y=0
\\\lim\limits_{x \rightarrow -1^+}{\displaystyle\frac{ 1}{(x+1)^3}}=\infty\\
\lim\limits_{x \rightarrow -1^-}{\displaystyle\frac{ 1}{(x+1)^3}}=-\infty\\
\\
\text{Vertikale Asymptote (Polstelle): } x=-1\\
\\
\\ \bullet \text{Extremwerte/Hochpunkte/Tiefpunkte:} \\f'(x)=\displaystyle \frac{-3x^2-6x-3}{ x^6+6x^5+15x^4+20x^3+15x^2+6x+1} = 0 \\ \\
\\
-3x^{2}-6x-3 =0
\\
x_{1/2}=\displaystyle\frac{+6 \pm\sqrt{\left(-6\right)^{2}-4\cdot \left(-3\right) \cdot \left(-3\right)}}{2\cdot\left(-3\right)}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{+6 \pm\sqrt{0}}{-6}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{6 \pm0}{-6}
\\
x_{1}=\displaystyle \frac{6 +0}{-6} \qquad x_{2}=\displaystyle \frac{6 -0}{-6}
\\
x_{1}=-1 \qquad x_{2}=-1
\\ \underline{x_2=-1; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\ \\
\, \,
\\\bullet\text{Monotonie/ streng monoton steigend (sms)/streng monoton fallend (smf) } \\f'\left(x\right)=\displaystyle \frac{-3x^2-6x-3}{ x^6+6x^5+15x^4+20x^3+15x^2+6x+1}\\
\,\text{Zaehler} =0 \\\underline{x_3=-1; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\\,
\\\text{Nullstellen des Nenners aus f(x) übernehmen} \\\underline{x_4=-1; \quad3\text{-fache Nullstelle}} \\\,
\\
\begin{array}{|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-1&< x\\
\hline
f'(x)&-&0&-\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-1[\quad \cup \quad]-1;\infty[\quad f'(x)<0 \quad \text{streng monoton fallend }} \\
\\ \bullet\text{Kruemmung} \\f''\left(x\right)=\displaystyle \frac{ 12x^7+84x^6+252x^5+420x^4+420x^3+252x^2+84x+12}{ x^12+12x^11+66x^10+220x^9+495x^8+792x^7+924x^6+792x^5+495x^4+220x^3+66x^2+12x+1}\\
\,Zaehler =0 \\\\\\ Numerische Suche: \\ \text{keine Loesung} \\\,
\\\text{Nullstelle des Nenners aus f(x) übernehmen} \\\underline{x_5=-1; \quad3\text{-fache Nullstelle}} \\
\begin{array}{|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-1&< x\\
\hline
f''(x)&-&0&+\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-1;\infty[\quad f''(x)>0 \quad \text{linksgekrümmt}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-1[\quad f''(x)<0 \quad \text{rechtsgekrümmt}} \\
Funktionsgraph und Wertetabelle \\
\end{array}$