Analysis-Kurvendiskussion-Ganzrationale Funktion
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Beispiel Nr: 80
$\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^4-4x^3-16x-16 \ <br/>
\bullet \text{Funktion/Ableitungen/Stammfunktion} \\ f\left(x\right)= x^4-4x^3-16x-16=(x+0,828)(x^2+4)(x-4,83)\\
f'\left(x\right)= 4x^3-12x^2-16=4(x^2+0,355x+1,19)(x-3,36)\\
f''\left(x\right)= 12x^2-24x=12x(x-2)\\
f'''\left(x\right)= 24x-24
\\
F(x)=\int_{}^{}( x^4-4x^3-16x-16)dx= \frac{1}{5}x^5-1x^4-8x^2-16x+c
\\ \\ \bullet\text{Definitions- und Wertebereich:}\\\qquad \mathbb{D} = \mathbb{R} \qquad \mathbb{W} = [(-94),\infty[ \\
\\ \bullet \text{Grenzwerte:} \\
f(x)=x^4( 1-\dfrac{4}{x}-\dfrac{16}{x^3}-\dfrac{16}{x^4}) \\
\lim\limits_{x \rightarrow \infty}{f\left(x\right)}=[1\cdot \infty^4]=\infty \\\lim\limits_{x \rightarrow -\infty}{f\left(x\right)}=[1\cdot (-\infty)^4]=\infty \\
\\ \bullet \text{Symmetrie zum Ursprung oder zur y-Achse } \\f\left(-x\right)=1\cdot (-x)^{4}-4\cdot (-x)^{3}-16\cdot (-x)-16 \\
\text{keine Symmetrie zur y-Achse und zum Ursprung }
\\
\\ \bullet \text{Nullstellen / Schnittpunkt mit der x-Achse:} \\f(x)= x^4-4x^3-16x-16 = 0 \\ \\ x^4-4x^3-16x-16\\ Numerische Suche: \\ \\ \underline{x_1=-0,828; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_2=4,83; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\
\\ \bullet \text{Vorzeichentabelle:} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &-0,828&< x <&4,83&< x\\
\hline
f(x)&+&0&-&0&+\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;-0,828[\quad \cup \quad]4,83;\infty[\quad f(x)>0 \quad \text{oberhalb der x-Achse}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-0,828;4,83[\quad f(x)<0 \quad \text{unterhalb der x-Achse}} \\
\\ \bullet \text{Extremwerte/Hochpunkte/Tiefpunkte:} \\f'(x)= 4x^3-12x^2-16 = 0 \\ \\ 4x^3-12x^2-16=0 \\\\ Numerische Suche: \\ \underline{x_3=3,36; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\f''(3,36)=54,6>0 \Rightarrow \underline{\text{Tiefpunkt:} (3,36/-94)} \\
\\
\bullet\text{Monotonie/ streng monoton steigend (sms)/streng monoton fallend (smf) } \\
\begin{array}{|c|c|c|c||}
\hline
& x < &3,36&< x\\
\hline
f'(x)&-&0&+\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]3,36;\infty[\quad f'(x)>0 \quad \text{streng monoton steigend }}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;3,36[\quad f'(x)<0 \quad \text{streng monoton fallend }}
\\
\\\bullet\text{Wendepunkte:} \\f''(x)= 12x^2-24x = 0 \\ x( 12x-24)=0 \Rightarrow x=0 \quad \vee \quad 12x-24=0\\
12 x-24 =0 \qquad /+24 \\
12 x= 24 \qquad /:12 \\
x=\displaystyle\frac{24}{12}\\
x=2
\\ \underline{x_4=0; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_5=2; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\f'''(0)=-16\\
f'''(0) \neq 0 \Rightarrow \\
\underline{\text{Wendepunkt:} (0/-16)}\\
f'''(2)=-64\\
f'''(2) \neq 0 \Rightarrow \\
\underline{\text{Wendepunkt:} (2/-64)}\\
\bullet\text{Kruemmung} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &0&< x <&2&< x\\
\hline
f''(x)&+&0&-&0&+\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;0[\quad \cup \quad]2;\infty[\quad f''(x)>0 \quad \text{linksgekrümmt}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]0;2[\quad f''(x)<0 \quad \text{rechtsgekrümmt}}\\
\\
\bullet\text{Eingeschlossene Fläche mit der x-Achse} \\A=\int_{-0,828}^{4,83}\left( x^4-4x^3-16x-16\right)dx=\left[ \frac{1}{5}x^5-1x^4-8x^2-16x\right]_{-0,828}^{4,83}
\\ =\left(\frac{1}{5}\cdot 4,83^{5}-1\cdot 4,83^{4}-8\cdot 4,83^{2}-16\cdot 4,83\right)-\left(\frac{1}{5}\cdot (-0,828)^{5}-1\cdot (-0,828)^{4}-8\cdot (-0,828)^{2}-16\cdot (-0,828)\right)
\\ =\left(-282\right)-\left(7,22\right)=-290
\\ \\
\end{array}$