Analysis-Kurvendiskussion-Ganzrationale Funktion
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Beispiel Nr: 64
$\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)= 54x^3-270x^2+432x-216 \ <br/>
\bullet \text{Funktion/Ableitungen/Stammfunktion} \\ f\left(x\right)= 54x^3-270x^2+432x-216=54(x-1)(x-2)^2\\
f'\left(x\right)= 162x^2-540x+432=162(x-1\frac{1}{3})(x-2)\\
f''\left(x\right)= 324x-540=324(x-1\frac{2}{3})\\
f'''\left(x\right)= 324
\\
F(x)=\int_{}^{}( 54x^3-270x^2+432x-216)dx= 13\frac{1}{2}x^4-90x^3+216x^2-216x+c
\\ \\ \bullet\text{Definitions- und Wertebereich:}\\\qquad \mathbb{D} = \mathbb{R} \qquad \mathbb{W} = \mathbb{R} \\
\\ \bullet \text{Grenzwerte:} \\
f(x)=x^3( 54-\dfrac{270}{x}+\dfrac{432}{x^2}-\dfrac{216}{x^3}) \\
\lim\limits_{x \rightarrow \infty}{f\left(x\right)}=[54\cdot \infty^3]=\infty \\\lim\limits_{x \rightarrow -\infty}{f\left(x\right)}=[54\cdot (-\infty)^3]=-\infty \\
\\ \bullet \text{Symmetrie zum Ursprung oder zur y-Achse } \\f\left(-x\right)=54\cdot (-x)^{3}-270\cdot (-x)^{2}+432\cdot (-x)-216 \\
\text{keine Symmetrie zur y-Achse und zum Ursprung }
\\
\\ \bullet \text{Nullstellen / Schnittpunkt mit der x-Achse:} \\f(x)= 54x^3-270x^2+432x-216 = 0 \\ \\ 54x^3-270x^2+432x-216=0 \\\\ \text{Nullstelle für Polynmomdivision erraten:}1\\
\,\small \begin{matrix} ( 54x^3&-270x^2&+432x&-216&):( x -1 )= 54x^2 -216x +216 \\
\,-( 54x^3&-54x^2) \\ \hline
&-216x^2&+432x&-216&\\
&-(-216x^2&+216x) \\ \hline
&& 216x&-216&\\
&&-( 216x&-216) \\ \hline
&&&0\\
\end{matrix} \\ \normalsize \\
\\
54x^{2}-216x+216 =0
\\
x_{1/2}=\displaystyle\frac{+216 \pm\sqrt{\left(-216\right)^{2}-4\cdot 54 \cdot 216}}{2\cdot54}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{+216 \pm\sqrt{0}}{108}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{216 \pm0}{108}
\\
x_{1}=\displaystyle \frac{216 +0}{108} \qquad x_{2}=\displaystyle \frac{216 -0}{108}
\\
x_{1}=2 \qquad x_{2}=2
\\ \underline{x_1=1; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_2=2; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\
\\ \bullet \text{Vorzeichentabelle:} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &1&< x <&2&< x\\
\hline
f(x)&-&0&+&0&+\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]1;2[\quad \cup \quad]2;\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{Extremwerte/Hochpunkte/Tiefpunkte:} \\f'(x)= 162x^2-540x+432 = 0 \\ \\
\\
162x^{2}-540x+432 =0
\\
x_{1/2}=\displaystyle\frac{+540 \pm\sqrt{\left(-540\right)^{2}-4\cdot 162 \cdot 432}}{2\cdot162}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{+540 \pm\sqrt{1,17\cdot 10^{4}}}{324}
\\
x_{1/2}=\displaystyle \frac{540 \pm108}{324}
\\
x_{1}=\displaystyle \frac{540 +108}{324} \qquad x_{2}=\displaystyle \frac{540 -108}{324}
\\
x_{1}=2 \qquad x_{2}=1\frac{1}{3}
\\ \underline{x_3=1\frac{1}{3}; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_4=2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\f''(1\frac{1}{3})=-108 \\
f''(1\frac{1}{3})<0 \Rightarrow \underline{\text{Hochpunkt:} (1\frac{1}{3}/8)} \\
f''(2)=108>0 \Rightarrow \underline{\text{Tiefpunkt:} (2/0)} \\
\\
\bullet\text{Monotonie/ streng monoton steigend (sms)/streng monoton fallend (smf) } \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &1\frac{1}{3}&< x <&2&< x\\
\hline
f'(x)&+&0&-&0&+\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;1\frac{1}{3}[\quad \cup \quad]2;\infty[\quad f'(x)>0 \quad \text{streng monoton steigend }}\\ \\
\underline{\quad x \in ]1\frac{1}{3};2[\quad f'(x)<0 \quad \text{streng monoton fallend }}
\\
\\\bullet\text{Wendepunkte:} \\f''(x)= 324x-540 = 0 \\ \\
324 x-540 =0 \qquad /+540 \\
324 x= 540 \qquad /:324 \\
x=\displaystyle\frac{540}{324}\\
x=1\frac{2}{3}
\\ \underline{x_5=1\frac{2}{3}; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\f'''(1\frac{2}{3})=4\\
f'''(1\frac{2}{3}) \neq 0 \Rightarrow \\
\underline{\text{Wendepunkt:} (1\frac{2}{3}/4)}\\
\bullet\text{Kruemmung} \\
\begin{array}{|c|c|c|c||}
\hline
& x < &1\frac{2}{3}&< x\\
\hline
f''(x)&-&0&+\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]1\frac{2}{3};\infty[\quad f''(x)>0 \quad \text{linksgekrümmt}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;1\frac{2}{3}[\quad f''(x)<0 \quad \text{rechtsgekrümmt}}\\
\\
\bullet\text{Eingeschlossene Fläche mit der x-Achse} \\A=\int_{1}^{2}\left( 54x^3-270x^2+432x-216\right)dx=\left[ 13\frac{1}{2}x^4-90x^3+216x^2-216x\right]_{1}^{2}
\\ =\left(13\frac{1}{2}\cdot 2^{4}-90\cdot 2^{3}+216\cdot 2^{2}-216\cdot 2\right)-\left(13\frac{1}{2}\cdot 1^{4}-90\cdot 1^{3}+216\cdot 1^{2}-216\cdot 1\right)
\\ =\left(-72\right)-\left(-76\frac{1}{2}\right)=4\frac{1}{2}
\\ \\
\end{array}$