Kurvendiskussion: Funktion dritten Grades

 

Gegeben ist die Funktion

f(x) = 0.333 x3 + 3.333 x2 + 9 x + 6

x ist Element der rationalen Zahlen.

Teilaufgaben
(Hinweis: Die Teillösungen können über die entsprechenden Links erreicht werden!)

1. Zeichnen Sie den Graphen der Funktionen f(x) im Bereich -10 < x < 10!
2. Berechnen Sie die Schnittpunkte des Graphen der Funktion f(x) mit den Koordinatenachsen!
3. Berechnen Sie die Extrempunkte des Graphen der Funktion f(x)!
4. Berechnen Sie die Wendestelle des Graphen der Funktion f(x)!
5. Beschreiben Sie das Krümmungsverhalten des Graphen der Funktion f(x)!
6. Beschreiben Sie das Steigungsverhalten (Monotonieverhalten) des Graphen der Funktion f(x)!
7. Berechnen Sie die Maßzahl der Fläche, die vom Graphen der Funktion f(x) und der x-Achse eingeschlossen wird!

 

1) Graphische Darstellung der Funktion   f(x) = 0.333 x3 + 3.333 x2 + 9 x + 6



2) Schnittpunkte des Graphen der Funktion    f(x) = 0.333 x3 + 3.333 x2 + 9 x + 6   mit den Koordinatenachsen

2a) Schnittpunkt mit der y-Achse

   Bedingung:   f(0) = ys    f(0) = 6

2b) Schnittpunkte mit der x-Achse

   Bedingung:   f(x) = 0
   Lösungsansatz: 1. Erste Nullstelle durch probieren ermitteln (liegt im Bereich -3 < x < 3)  
    2. Polynomdivision
    3. Zweite und dritte Nullstelle mit der pq-Formel ermitteln

  Rechnung: 0 = 0.333 (x3 + 10 x2 + 27 x + 18)  Faktor a3 = 0.33 ausklammern
    0 = (x3 + 10 x2 + 27 x + 18) Gleichung durch a3 = 0.33 teilen
       
  Polynomdivision:  (x3 + 10 x2 + 27 x + 18) / (x + 6 ) = x2 + 4 x + 3 angenommene Nullstelle bei x = - 6 , also... teilen durch (x + 6)
    -(x3 + 6 x2)
        4 x2 + 27 x + 18   
    -( 4 x2 + 24 x)
 
        ( 3 x + 18 )  
      -( 3 x + 18 )  
       

 

 

 

 

 

 

weiter Nullstellen über pq-Formel ...

  weitere Nullstellen 0 = x2 + 4 x + 3   0 = x2 + 4 x + 3
  anwenden der pq-Formel x1 = - 2 + Wurzel( 22 - 3)   x2 = - 2 - Wurzel( 22 - 3)
  quadrieren innerhalb des Wurzelausdrucks x1 = - 2 + Wurzel( 4 - 3)   x2 = - 2 - Wurzel( 4 - 3)
  Wurzelausdrucks zusammenfassen x1 = - 2 + Wurzel( 1)   x2 = - 2 - Wurzel( 1)
  Ergebnis für x1 berechnen x1 = - 2 + 1   x2 = - 2 - 1
  Nullstelle für x1 x1 = - 1   x2 = - 3

Die Schnittpunkte mit der x-Achse (Nullstellen) liegen bei: x1 = - 1 x2 = - 3 x3 = - 6

3. Berechnen der Extremwerte des Graphen der Funktion  f(x) = 0.333 x3 + 3.333 x2 + 9 x + 6



  f(x)   = 0.333 x3 + 3.333 x2 + 9 x + 6  
Bestimmen der ersten Ableitungsfunktion: f ´(x)  = 1 x2 + 6.667 x + 9  
Bestimmen der zweiten Ableitungsfunktion: f ´´(x) = 2 x + 6.667  
Bestimmen der dritten Ableitungsfunktion: f ´´´(x) = 2  
     
notwendige Bedingung:   f ´(x) = 0 0 = 1 x2 + 6.667 x + 9 0 = 1 x2 + 6.667 x + 9
  0 = x2 + 6.667 x + 9 0 = x2 + 6.667 x + 9
  x1 = - 3.333 + Wurzel( 3.3332 - 9) x2 = - 3.333 - Wurzel( 3.3332 - 9)
  x1 = - 3.333 + Wurzel( 11.111 - 9) x2 = - 3.333 - Wurzel( 11.111 - 9)
  x2 = - 3.333 + Wurzel( 2.111) x2 = - 3.333 - Wurzel( 2.111)
  x1 = - 3.333 + 1.453 x2 = - 3.333 - 1.453
  x1 = - 1.88 x2 = - 4.786
     
hinreichende Bedingung:  f ´´(x) <> 0 f ´´( - 1.88) = 2.906 f´´( - 4.786) = - 2.906
  f´´(-1.88) > 0 .. an der Stelle x = -1.88
liegt daher ein Tiefpunkt vor.
f´´(-4.79)< 0 .. an der Stelle x = -4.79
liegt daher ein Hochpunkt vor.
     
berechnen der zugehörigen y-Koordinate f(-1.88) = -1.354 f(-4.786) = 2.736
Koordinaten der Extrempunkte P(-1.88 / -1.354) P(-4.786 / 2.736)

4. Berechnen der Wendestelle des Graphen der Funktion  f(x) = 0.333 x3 + 3.333 x2 + 9 x + 6


zweite Ableitungsfunktion: f ´´(x) = 2 x + 6.667
dritten Ableitungsfunktion: f ´´´(x) = 2
   
notwendige Bedingung:   f ´´(x) = 0 2 x + 6.667 = 0
  2 x = - 6.667
  x = - 6.667 / 2
  x = - 3.333
   
hinreichende Bedingung:  f ´´´(x) <> 0 f´´´( - 3.333 ) = 2 ... ist also erfüllt...
  f´´´( - 3.333 ) > 0 ... daraus folgt ein Rechts-Links-Krümmungswechsel an der Wendestelle
berechnen der zugehörigen y-Koordinate f(-3.333) = 0.691
Koordinate des Wendepunkte P(-3.333 / 0.691 )

5. Krümmungsverhalten des Graphen der Funktion 

f(x) = 0.333 x3 + 3.333 x2 + 9 x + 6

... untersucht wird die zweite Ableitung der Funktion f(x) f ´´(x) = 2 x + 6.667


Bereich links vom Wendepunkt   K1=[ - ∞; - 3.333 ] f ´´( - 4 ) = - 1.333  
  Der Graph der zweiten Ableitung verläuft im negativen Bereich
  ... es liegt also eine Rechtskrümmung vor
   
Bereich rechts vom Wendepunkt   K1=[ - 3.333 ; ∞ ] f ´´( - 2 ) = 2.667  
  Der Graph der zweiten Ableitung verläuft im positiven Bereich
  ... es liegt also eine Linkskrümmung vor


6. Monotonieverhalten des Graphen der Funktion 

f(x) = 0.333 x3 + 3.333 x2 + 9 x + 6

...untersucht wird die erste Ableitung

f ´(x)  = 1 x2 + 6.667 x + 9





Bereich links vom Punkt  P( - 4.786; 2.736 ) f ´( - 6 ) = 5  

M1=[ - ∞; - 4.786 ]

Der Graph der ersten Ableitung verläuft im positiven Bereich
  ... in diesem Bereich ist die Funktion monoton steigend
   
Bereich zwischen P( - 4.786 ; 2.736) und P( - 1.88; - 1.354 ) f ´( - 3 ) = - 2  

M2=[ - 4.786; - 1.88]

Der Graph der ersten Ableitung verläuft im negativen Bereich
  ... in diesem Bereich ist die Funktion monoton fallend
   
Bereich rechts vom Punkt  P( - 1.88; - 1.354 ) f ´( - 1 ) = 3.333  

M3=[ - 1.88 ; ∞]

Der Graph der ersten Ableitung verläuft im positiven Bereich
  ... in diesem Bereich ist die Funktion monoton steigend

7. Maßzahl der Fläche

     
Die Maßzahl der Fläche A zwischen dem Graphen der Randfunktion f(x) = 0.333 x3 + 3.333 x2 + 9 x + 6 und der x-Achse über dem Intervall [  - 6 ;  - 1 ] wird mit Hilfe des bestimmten Integrals berechnet!   Stammfunktion F(x) = 0.0833 x4 + 1.1111 x3 + 4.5 x2 + 6 x
Maßzahl der Fläche A = F( - 1 ) - F( - 6 )
Aus der graphischen Darstellung der Funktion
f(x) = 0.333 x3 + 3.333 x2 + 9 x + 6 ist ersichtlich, dass die zu berechnende Gesamtfläche zwischen dem Graphen und der x-Achse in Teilfläche zerlegt werden muss
   

A1 = F( - 1 ) - F( - 3 )
A1 = ( 0.083 - 1.111 + 4.5 - 6 ) - ( 6.75 - 30 + 40.5 - 18 )
A1 = ( - 2.528 ) - ( - 0.75 )
A1 = - 1.778

    A2 = F( - 3 ) - F( - 6 )
A2 = ( 6.75 - 30 + 40.5 - 18 ) - ( 108 - 240 + 162 - 36 )
A2 = ( - 0.75 ) - ( - 6 )
A2 = 5.25
    Ag = |A1| + |A2|
Ag = 1.778 + 5.25
Ag = 7.028