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Kurvendiskussion-Rechner

Gib eine Funktion ein – der Rechner führt die komplette Kurvendiskussion durch: Definitionsbereich, Symmetrie, Nullstellen, Extrem- und Wendepunkte, Polstellen und Asymptoten, Monotonie, Krümmung und Verhalten an den Rändern. Das klappt für Polynome ebenso wie für e-Funktionen, ln-Funktionen, gebrochenrationale, Wurzel- und trigonometrische Funktionen. Auf Wunsch berechnet er auch die Tangente.

Polynome, e^x, ln(x), sqrt(x), sin(x), cos(x), tan(x), Brüche mit / – z. B. (x^2-4)/(x-1) oder ln(x)/x
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Ergebnis

Kurvendiskussion von $f(x) = x\,\mathrm{e}^{-1\,x}$:

Definitionsbereich\(D = \mathbb{R}\)
Nullstellen\(0\)
Hochpunkte\(H\left(1 \,\middle|\, \mathrm{e}^{-1}\right)\)
Tiefpunktekeine
Wendepunkte\(W\left(2 \,\middle|\, 2\,\mathrm{e}^{-2}\right)\)
Asymptoten\(y = 0\)
Zum Rechenweg

Werte mit ≈ sind auf drei Nachkommastellen gerundet. Exakte Werte wurden mit dem Computeralgebrasystem Maxima berechnet.

Rechenweg

  1. Ableitungen

    Die Ableitungen wurden mit den Ableitungsregeln (Produkt-, Quotienten-, Kettenregel) gebildet und vereinfacht. Den ausführlichen Rechenweg zeigt der Ableitungsrechner.

    \[f(x) = x\,\mathrm{e}^{-1\,x}\]
    \[f'(x) = \mathrm{e}^{-x} - \mathrm{e}^{-x}\,x\]
    \[f''(x) = \mathrm{e}^{-x}\,\left(x - 2\right)\]
    \[f'''(x) = -\mathrm{e}^{-x}\,\left(x - 3\right)\]
  2. Definitionsbereich

    Im Funktionsterm gibt es keinen Nenner mit x, keinen Logarithmus und keine Wurzel – die Funktion ist für alle reellen Zahlen definiert.

    \[D = \mathbb{R}\]
  3. Symmetrie

    Weder f(−x) = f(x) noch f(−x) = −f(x) gilt für alle x – der Graph ist weder achsensymmetrisch zur y-Achse noch punktsymmetrisch zum Ursprung.

    \[f(-x) \neq f(x),\quad f(-x) \neq -f(x)\]
  4. Verhalten an den Rändern und Asymptoten

    Untersucht wird, wie sich f(x) für x → ±∞ und bei Annäherung an die Ränder bzw. Lücken des Definitionsbereichs verhält. Strebt f(x) gegen ±∞, hat der Graph dort eine senkrechte Asymptote; strebt f(x) für x → ±∞ gegen eine Zahl, eine waagerechte.

    \[\lim_{x \to +\infty} f(x) = 0\quad\Rightarrow\quad \text{waagerechte Asymptote } y = 0\]
    \[\lim_{x \to -\infty} f(x) = -\infty\]
  5. Schnittpunkt mit der y-Achse

    Setze x = 0 ein.

    \[f(0) = 0 \quad\Rightarrow\quad S_y\left(0 \,\middle|\, 0\right)\]
  6. Nullstellen

    Setze f(x) = 0. Ein Produkt ist 0, wenn ein Faktor 0 ist; ein Bruch ist 0, wenn der Zähler 0 ist (und der Nenner nicht). Faktoren wie eˣ werden nie 0.

    \[f(x) = 0\]
    \[x_{1} = 0\]
  7. Extrempunkte

    Notwendige Bedingung: f'(x) = 0. Hinreichend: f''(x) < 0 (Hochpunkt) bzw. f''(x) > 0 (Tiefpunkt); ist f''(x) = 0, entscheidet der Vorzeichenwechsel von f'.

    \[f'(x) = \mathrm{e}^{-x} - \mathrm{e}^{-x}\,x = 0\]
    \[f''(1) = -\mathrm{e}^{-1} \approx -0{,}368 < 0 \quad\Rightarrow\quad \text{Hochpunkt}\]
    \[f(1) = \mathrm{e}^{-1} \approx 0{,}368\]
  8. Wendepunkte

    Notwendige Bedingung: f''(x) = 0. Hinreichend: f'''(x) ≠ 0 bzw. ein Vorzeichenwechsel von f''. Ist dort zusätzlich f'(x) = 0, ist es ein Sattelpunkt.

    \[f''(x) = \mathrm{e}^{-x}\,\left(x - 2\right) = 0\]
    \[f'''(2) = \mathrm{e}^{-2} \approx 0{,}135 \neq 0 \quad\Rightarrow\quad \text{Wendepunkt}\]
    \[f(2) = 2\,\mathrm{e}^{-2} \approx 0{,}271\]
  9. Monotonie

    Zwischen den Nullstellen von f' und den Lücken des Definitionsbereichs ändert f' sein Vorzeichen nicht. Wo f'(x) > 0 ist, steigt der Graph, wo f'(x) < 0 ist, fällt er.

    IntervallVorzeichenVerhalten
    \(\left(-\infty;\ 1\right)\)\(f'(x) > 0\)streng monoton steigend
    \(\left(1;\ \infty\right)\)\(f'(x) < 0\)streng monoton fallend
  10. Krümmung

    Wo f''(x) > 0 ist, ist der Graph linksgekrümmt, wo f''(x) < 0 ist, rechtsgekrümmt.

    IntervallVorzeichenVerhalten
    \(\left(-\infty;\ 2\right)\)\(f''(x) < 0\)rechtsgekrümmt
    \(\left(2;\ \infty\right)\)\(f''(x) > 0\)linksgekrümmt

Graph

−3−2−112345−35−30−25−20−15−10−5xy0fNHW

N = Nullstelle, H = Hochpunkt, T = Tiefpunkt, W = Wendepunkt, S = Sattelpunkt; gestrichelt: Asymptoten.

So funktioniert der Rechner

Der Rechner arbeitet wie Du im Heft – und zwar exakt mit Brüchen, Wurzeln, e und π:

  • Polynome rechnet er Schritt für Schritt wie im Unterricht: Ausklammern, Nullstelle raten mit Polynomdivision, pq- bzw. abc-Formel.
  • Alle anderen Funktionen (e-, ln-, gebrochenrationale, Wurzel- und trigonometrische Funktionen) untersucht er mit dem Computeralgebrasystem Maxima: Definitionsbereich, Polstellen und hebbare Lücken, senkrechte, waagerechte und schräge Asymptoten, Grenzwerte an den Rändern und alle besonderen Punkte. Jede gefundene Stelle wird zusätzlich numerisch geprüft.
  • Nur wenn es keine „schöne“ Lösung gibt, rechnet er mit einem Näherungsverfahren und kennzeichnet die Werte mit ≈. Bei trigonometrischen Funktionen gibt es unendlich viele besondere Stellen – angegeben werden die im Intervall [−2π; 2π].

Eingabe: x^3 für x³, e^(-x) oder exp(-x), ln(x), sqrt(x) für √x, sin(x), Brüche mit / wie (x^2-4)/(x-1), Malpunkt * darf fehlen: 2x e^x. Den Rechenweg der Ableitungen zeigt der Ableitungsrechner.

Alle Schritte im Detail erklärt findest Du unter Kurvendiskussion. Steht in Deiner Funktion ein Parameter wie a oder k (eine Funktionenschar), nutze den Funktionenschar-Rechner – er berechnet die Punkte in Abhängigkeit vom Parameter und die Ortskurve.

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