Analysis-Kurvendiskussion-Ganzrationale Funktion
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Beispiel Nr: 05
$\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)=-\frac{1}{4}x^5+\frac{2}{3}x^4 \ <br/>
\bullet \text{Funktion/Ableitungen/Stammfunktion} \\ f\left(x\right)=-\frac{1}{4}x^5+\frac{2}{3}x^4=-\frac{1}{4}x^4(x-2\frac{2}{3})\\
f'\left(x\right)=-1\frac{1}{4}x^4+2\frac{2}{3}x^3=-1\frac{1}{4}x^3(x-2\frac{2}{15})\\
f''\left(x\right)=-5x^3+8x^2=-5x^2(x-1\frac{3}{5})\\
f'''\left(x\right)=-15x^2+16x
\\
F(x)=\int_{}^{}(-\frac{1}{4}x^5+\frac{2}{3}x^4)dx=-\frac{1}{24}x^6+\frac{2}{15}x^5+c
\\ \\ \bullet\text{Definitions- und Wertebereich:}\\\qquad \mathbb{D} = \mathbb{R} \qquad \mathbb{W} = \mathbb{R} \\
\\ \bullet \text{Grenzwerte:} \\
f(x)=x^5(-\frac{1}{4}+\dfrac{\frac{2}{3}}{x}) \\
\lim\limits_{x \rightarrow \infty}{f\left(x\right)}=[-\frac{1}{4}\cdot \infty^5]=-\infty \\\lim\limits_{x \rightarrow -\infty}{f\left(x\right)}=[-\frac{1}{4}\cdot (-\infty)^5]=\infty \\
\\ \bullet \text{Symmetrie zum Ursprung oder zur y-Achse } \\f\left(-x\right)=-\frac{1}{4}\cdot (-x)^{5}+\frac{2}{3}\cdot (-x)^{4} \\
\text{keine Symmetrie zur y-Achse und zum Ursprung }
\\
\\ \bullet \text{Nullstellen / Schnittpunkt mit der x-Achse:} \\f(x)=-\frac{1}{4}x^5+\frac{2}{3}x^4 = 0 \\ x^4(-\frac{1}{4}x+\frac{2}{3})=0 \Rightarrow x=0 \quad \vee \quad-\frac{1}{4}x+\frac{2}{3}=0\\
-\frac{1}{4} x+\frac{2}{3} =0 \qquad /-\frac{2}{3} \\
-\frac{1}{4} x= -\frac{2}{3} \qquad /:\left(-\frac{1}{4}\right) \\
x=\displaystyle\frac{-\frac{2}{3}}{-\frac{1}{4}}\\
x=2\frac{2}{3}
\\ \underline{x_1=0; \quad4\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_2=2\frac{2}{3}; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\
\\ \bullet \text{Vorzeichentabelle:} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &0&< x <&2\frac{2}{3}&< x\\
\hline
f(x)&+&0&+&0&-\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;0[\quad \cup \quad]0;2\frac{2}{3}[\quad f(x)>0 \quad \text{oberhalb der x-Achse}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]2\frac{2}{3};\infty[\quad f(x)<0 \quad \text{unterhalb der x-Achse}} \\
\\ \bullet \text{Extremwerte/Hochpunkte/Tiefpunkte:} \\f'(x)=-1\frac{1}{4}x^4+2\frac{2}{3}x^3 = 0 \\ x^3(-1\frac{1}{4}x+2\frac{2}{3})=0 \Rightarrow x=0 \quad \vee \quad-1\frac{1}{4}x+2\frac{2}{3}=0\\
-1\frac{1}{4} x+2\frac{2}{3} =0 \qquad /-2\frac{2}{3} \\
-1\frac{1}{4} x= -2\frac{2}{3} \qquad /:\left(-1\frac{1}{4}\right) \\
x=\displaystyle\frac{-2\frac{2}{3}}{-1\frac{1}{4}}\\
x=2\frac{2}{15}
\\ \underline{x_3=0; \quad3\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_4=2\frac{2}{15}; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\f''(0)=0 \\
f''(0)=0 \Rightarrow \\
\underline{\text{Extremwert:} (0/0}) \\
f''(2\frac{2}{15})=-12,1 \\
f''(2\frac{2}{15})<0 \Rightarrow \underline{\text{Hochpunkt:} (2\frac{2}{15}/2,76)} \\
\\
\bullet\text{Monotonie/ streng monoton steigend (sms)/streng monoton fallend (smf) } \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &0&< x <&2\frac{2}{15}&< x\\
\hline
f'(x)&-&0&+&0&-\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]0;2\frac{2}{15}[\quad f'(x)>0 \quad \text{streng monoton steigend }}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;0[\quad \cup \quad]2\frac{2}{15};\infty[\quad f'(x)<0 \quad \text{streng monoton fallend }}
\\
\\\bullet\text{Wendepunkte:} \\f''(x)=-5x^3+8x^2 = 0 \\ x^2(-5x+8)=0 \Rightarrow x=0 \quad \vee \quad-5x+8=0\\
-5 x+8 =0 \qquad /-8 \\
-5 x= -8 \qquad /:\left(-5\right) \\
x=\displaystyle\frac{-8}{-5}\\
x=1\frac{3}{5}
\\ \underline{x_5=0; \quad2\text{-fache Nullstelle}} \\\underline{x_6=1\frac{3}{5}; \quad1\text{-fache Nullstelle}} \\f'''(1\frac{3}{5})=1,75\\
f'''(1\frac{3}{5}) \neq 0 \Rightarrow \\
\underline{\text{Wendepunkt:} (1\frac{3}{5}/1,75)}\\
\bullet\text{Kruemmung} \\
\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c||}
\hline
& x < &0&< x <&1\frac{3}{5}&< x\\
\hline
f''(x)&+&0&+&0&-\\
\hline
\end{array}\\ \\
\underline{\quad x \in ]-\infty;0[\quad \cup \quad]0;1\frac{3}{5}[\quad f''(x)>0 \quad \text{linksgekrümmt}}\\ \\
\underline{\quad x \in ]1\frac{3}{5};\infty[\quad f''(x)<0 \quad \text{rechtsgekrümmt}}\\
\\
\bullet\text{Eingeschlossene Fläche mit der x-Achse} \\A=\int_{0}^{2\frac{2}{3}}\left(-\frac{1}{4}x^5+\frac{2}{3}x^4\right)dx=\left[-\frac{1}{24}x^6+\frac{2}{15}x^5\right]_{0}^{2\frac{2}{3}}
\\ =\left(-\frac{1}{24}\cdot 2\frac{2}{3}^{6}+\frac{2}{15}\cdot 2\frac{2}{3}^{5}\right)-\left(-\frac{1}{24}\cdot 0^{6}+\frac{2}{15}\cdot 0^{5}\right)
\\ =\left(3\right)-\left(0\right)=3
\\ \\
\end{array}$