Analysis-Kurvendiskussion-Ganzrationale 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{Stammfunktion}
\\ \text{Eingeschlossene Fläche mit der x-Achse} \\ \text{Funktion:}f\left(x\right)= x^3+3x^2-4 \ <br/>
\bullet \text{Funktion/Ableitungen/Stammfunktion} \\ f\left(x\right)= x^3+3x^2-4=(x+2)^2(x-1)\\
f'\left(x\right)= 3x^2+6x=3(x+2)x\\
f''\left(x\right)= 6x+6=6(x+1)\\
f'''\left(x\right)= 6
\\
F(x)=\int_{}^{}( x^3+3x^2-4)dx= \frac{1}{4}x^4+x^3-4x+c
\\ \\ \bullet\text{Definitions- und Wertebereich:}\\\qquad \mathbb{D} = \mathbb{R} \qquad \mathbb{W} = \mathbb{R} \\
\\ \bullet \text{Grenzwerte:} \\
f(x)=x^3( 1+\dfrac{3}{x}-\dfrac{4}{x^3}) \\
\lim\limits_{x \rightarrow \infty}{f\left(x\right)}=[1\cdot \infty^3]=\infty \\\lim\limits_{x \rightarrow -\infty}{f\left(x\right)}=[1\cdot (-\infty)^3]=-\infty \\
\\ \bullet \text{Symmetrie zum Ursprung oder zur y-Achse } \\f\left(-x\right)=1\cdot (-x)^{3}+3\cdot (-x)^{2}-4 \\
\text{keine Symmetrie zur y-Achse und zum Ursprung }
\\
\\ \bullet \text{Nullstellen / Schnittpunkt mit der x-Achse:} \\f(x)= 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}} \\
\\ \bullet \text{Vorzeichentabelle:} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-2&< x <&1&< x\\
\hline
f(x)&-&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;1[\quad f(x)<0 \quad \text{unterhalb der x-Achse}} \\
\\ \bullet \text{Extremwerte/Hochpunkte/Tiefpunkte:} \\f'(x)= 3x^2+6x = 0 \\ x( 3x+6)=0 \Rightarrow x=0 \quad \vee \quad 3x+6=0\\
3 x+6 =0 \qquad /-6 \\
3 x= -6 \qquad /:3 \\
x=\displaystyle\frac{-6}{3}\\
x=-2
\\ \underline{x_3=-2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_4=0; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\f''(-2)=-6 \\
f''(-2)<0 \Rightarrow \underline{\text{Hochpunkt:} (-2/0)} \\
f''(0)=6>0 \Rightarrow \underline{\text{Tiefpunkt:} (0/-4)} \\
\\
\bullet\text{Monotonie/ streng monoton steigend (sms)/streng monoton fallend (smf) } \\
\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{Wendepunkte:} \\f''(x)= 6x+6 = 0 \\ \\
6 x+6 =0 \qquad /-6 \\
6 x= -6 \qquad /:6 \\
x=\displaystyle\frac{-6}{6}\\
x=-1
\\ \underline{x_5=-1; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\f'''(-1)=-2\\
f'''(-1) \neq 0 \Rightarrow \\
\underline{\text{Wendepunkt:} (-1/-2)}\\
\bullet\text{Kruemmung} \\
\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}}\\
\\
\bullet\text{Eingeschlossene Fläche mit der x-Achse} \\A=\int_{-2}^{1}\left( x^3+3x^2-4\right)dx=\left[ \frac{1}{4}x^4+x^3-4x\right]_{-2}^{1}
\\ =\left(\frac{1}{4}\cdot 1^{4}+1\cdot 1^{3}-4\cdot 1\right)-\left(\frac{1}{4}\cdot (-2)^{4}+1\cdot (-2)^{3}-4\cdot (-2)\right)
\\ =\left(-2\frac{3}{4}\right)-\left(4\right)=-6\frac{3}{4}
\\ \\
\end{array}$