Analysis-Kurvendiskussion-Gebrochenrationale Funktion
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Beispiel Nr: 59
$\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{ x^3+3x^2-4}{ x^2} \ <br/>
\bullet \text{Funktion/Faktorisieren} \\ f\left(x\right)=\displaystyle \frac{ x^3+3x^2-4}{ x^2}
\\
\text{Zaehler faktorisieren: } \\ x^3+3x^2-4 = 0 \\ \\ x^3+3x^2-4=0 \\\\ \text{Nullstelle für Polynmomdivision erraten:}1\\
\,\small \begin{matrix} ( x^3&+3x^2&&-4&):( x -1 )= x^2 +4x +4 \\
\,-( x^3&-1x^2) \\ \hline
& 4x^2&&-4&\\
&-( 4x^2&-4x) \\ \hline
&& 4x&-4&\\
&&-( 4x&-4) \\ \hline
&&&0\\
\end{matrix} \\ \normalsize \\
\\
1x^{2}+4x+4 =0
\\
x_{1/2}=\displaystyle\frac{-4 \pm\sqrt{4^{2}-4\cdot 1 \cdot 4}}{2\cdot1}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{-4 \pm\sqrt{0}}{2}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{-4 \pm0}{2}
\\
x_{1}=\displaystyle \frac{-4 +0}{2} \qquad x_{2}=\displaystyle \frac{-4 -0}{2}
\\
x_{1}=-2 \qquad x_{2}=-2
\\ \underline{x_1=-2; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_2=1; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\
\\\text{Nenner faktorisieren:} \\ x^2 = 0 \\ x^2=0 \Rightarrow x=0 \\ \underline{x_3=0; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\
\\ \text{Faktorisierter Term:}\\
f\left(x\right)=\displaystyle\frac{(x+2)^2(x-1)}{x^2} \\
\\
\bullet\text{Definitionsbereich:}\qquad \mathbb{D} = \mathbb{R}\setminus \left\{0\right\} \\
f\left(x\right)= \displaystyle \frac{ x^3+3x^2-4}{ x^2}
\\ Polynomdivision:\\\small \begin{matrix} ( x^3&+3x^2&&-4&):( x^2 )= x +3 \\
\,-( x^3) \\ \hline
& 3x^2&&-4&\\
&-( 3x^2) \\ \hline
&&-4&\\
\end{matrix} \\ \normalsize \\ \\ f(x)= x+3+\frac{-4}{ x^2} \\
\\ \bullet \text{1. Ableitungen und 2.Ableitung} \\f'\left(x\right)=\frac{( 3x^2+6x)\cdot x^2-( x^3+3x^2-4)\cdot 2x}{( x^2)^2}\\
= \frac{( 3x^4+6x^3)-( 2x^4+6x^3-8x)}{( x^2)^2}\\
= \frac{ x^4+8x}{( x^2)^2}\\
= \frac{ x^4+8x}{( x^2)^2}
\\ =\displaystyle\frac{(x^2-2x+4)(x+2)x}{x^4}
\\ =\displaystyle\frac{(x^2-2x+4)(x+2)}{x^3}
\\ =\displaystyle \frac{ x^3+8}{ x^3}\\ f''\left(x\right)=\frac{ 3x^2\cdot x^3-( x^3+8)\cdot 3x^2}{( x^3)^2}\\
= \frac{ 3x^5-( 3x^5+24x^2)}{( x^3)^2}\\
= \frac{-24x^2}{( x^3)^2}\\
= \frac{-24x^2}{( x^3)^2}
\\ =\displaystyle\frac{-24x^2}{x^6}
\\ =\displaystyle\frac{-24}{x^4}
\\ =\displaystyle \frac{-24}{ x^4}
\\
\\ \bullet \text{Nullstellen / Schnittpunkt mit der x-Achse:} \\Zaehler =0 \\ x^3+3x^2-4 = 0 \\ \underline{x_4=-2; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_5=1; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\
\\
\\ \bullet \text{Vorzeichentabelle:} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-2&< x <&0&< x <&1&< x\\
\hline
f(x)&-&0&-&0&-&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;-2[\quad \cup \quad]-2;0[\quad \cup \quad]0;1[\quad f(x)<0 \quad \text{unterhalb der x-Achse}}
\\ \\
\bullet\text{Grenzwerte und Asymtoten: } \\ \\
\lim\limits_{x \rightarrow \infty}{\displaystyle \frac{x^3( 1+\dfrac{3}{x}-\dfrac{4}{x^3}) }{x^2( 1) }}=\infty \\\lim\limits_{x \rightarrow -\infty}{\displaystyle \frac{x^3( 1+\dfrac{3}{x}-\dfrac{4}{x^3}) }{x^2( 1) }}=\infty \\ \\
\text{Schiefe Asymptote:} y= x+3
\\\lim\limits_{x \rightarrow 0^+}{\displaystyle\frac{(x+2)^2(x-1)}{x^2}}=-\infty\\
\lim\limits_{x \rightarrow 0^-}{\displaystyle\frac{(x+2)^2(x-1)}{x^2}}=-\infty\\
\\
\text{Vertikale Asymptote (Polstelle): } x=0\\
\\
\\ \bullet \text{Extremwerte/Hochpunkte/Tiefpunkte:} \\f'(x)=\displaystyle \frac{ x^3+8}{ x^3} = 0 \\ \\ x^3+8=0 \\
1x^3+8 =0 \qquad /-8 \\
1x^3= -8 \qquad /:1 \\
x^3=\displaystyle\frac{-8}{1} \\
x=\sqrt[3]{-8} \\
x=-2
\\ \text{Polynomdivision:}(-2)\\
\small \begin{matrix} ( x^3&&&+8&):( x +2 )= x^2 -2x +4 \\
\,-( x^3&+2x^2) \\ \hline
&-2x^2&&+8&\\
&-(-2x^2&-4x) \\ \hline
&& 4x&+8&\\
&&-( 4x&+8) \\ \hline
&&&0\\
\end{matrix} \\ \normalsize \\
1x^{2}-2x+4 =0\\
x_{1/2}=\displaystyle\frac{+2 \pm\sqrt{\left(-2\right)^{2}-4 \cdot 1 \cdot 4}}{2\cdot1}\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{+2 \pm\sqrt{-12}}{2}\\
\text{Diskriminante negativ keine Lösung}
\\ \underline{x_6=-2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\f''(-2)=-1\frac{1}{2} \\
f''(-2)<0 \Rightarrow \underline{\text{Hochpunkt:} (-2/0)}
\\ \\
\, \,
\\\bullet\text{Monotonie/ streng monoton steigend (sms)/streng monoton fallend (smf) } \\f'\left(x\right)=\displaystyle \frac{ x^3+8}{ x^3}\\
\,\text{Zaehler} =0 \\\underline{x_7=-2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\,
\\\text{Nullstellen des Nenners aus f(x) übernehmen} \\\underline{x_8=0; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\\,
\\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-2&< x <&0&< x\\
\hline
f'(x)&+&0&-&0&+\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-2[\quad \cup \quad]0;\infty[\quad f'(x)>0 \quad \text{streng monoton steigend }}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-2;0[\quad f'(x)<0 \quad \text{streng monoton fallend }} \\
\\ \bullet\text{Kruemmung} \\f''\left(x\right)=\displaystyle \frac{-24}{ x^4}\\
\,Zaehler =0 \\\text{keine Loesung} \\\,
\\\text{Nullstelle des Nenners aus f(x) übernehmen} \\\underline{x_9=0; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\
\begin{array}{|c|c|c|c||}
\hline
& x < &0&< x\\
\hline
f''(x)&-&0&-\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;0[\quad \cup \quad]0;\infty[\quad f''(x)<0 \quad \text{rechtsgekrümmt}} \\
Funktionsgraph und Wertetabelle \\
\end{array}$