Analysis Beispiele

$f (x) = 3 x^{4} - 24 x^{3} + 30 x^{2}$

Schritt 1

Find the $x$ values where the second derivative is equal to $0$ .

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Schritt 1.1

Bestimme die zweite Ableitung.

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Schritt 1.1.1

Bestimme die erste Ableitung.

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Schritt 1.1.1.1

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $3 x^{4} - 24 x^{3} + 30 x^{2}$ nach $x$ $\frac{d}{d x} [3 x^{4}] + \frac{d}{d x} [- 24 x^{3}] + \frac{d}{d x} [30 x^{2}]$ .

$f' (x) = \frac{d}{d x} (3 x^{4}) + \frac{d}{d x} (- 24 x^{3}) + \frac{d}{d x} (30 x^{2})$

Schritt 1.1.1.2

Berechne $\frac{d}{d x} [3 x^{4}]$ .

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Schritt 1.1.1.2.1

Da $3$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $3 x^{4}$ nach $x$ gleich $3 \frac{d}{d x} [x^{4}]$ .

$f' (x) = 3 \frac{d}{d x} (x^{4}) + \frac{d}{d x} (- 24 x^{3}) + \frac{d}{d x} (30 x^{2})$

Schritt 1.1.1.2.2

Differenziere unter Anwendung der Potenzregel, die besagt, dass $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ gleich $n x^{n - 1}$ ist mit $n = 4$ .

$f' (x) = 3 (4 x^{3}) + \frac{d}{d x} (- 24 x^{3}) + \frac{d}{d x} (30 x^{2})$

Schritt 1.1.1.2.3

Mutltipliziere $4$ mit $3$ .

$f' (x) = 12 x^{3} + \frac{d}{d x} (- 24 x^{3}) + \frac{d}{d x} (30 x^{2})$

Schritt 1.1.1.3

Berechne $\frac{d}{d x} [- 24 x^{3}]$ .

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Schritt 1.1.1.3.1

Da $- 24$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $- 24 x^{3}$ nach $x$ gleich $- 24 \frac{d}{d x} [x^{3}]$ .

$f' (x) = 12 x^{3} - 24 \frac{d}{d x} x^{3} + \frac{d}{d x} (30 x^{2})$

Schritt 1.1.1.3.2

Differenziere unter Anwendung der Potenzregel, die besagt, dass $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ gleich $n x^{n - 1}$ ist mit $n = 3$ .

$f' (x) = 12 x^{3} - 24 (3 x^{2}) + \frac{d}{d x} (30 x^{2})$

Schritt 1.1.1.3.3

Mutltipliziere $3$ mit $- 24$ .

$f' (x) = 12 x^{3} - 72 x^{2} + \frac{d}{d x} (30 x^{2})$

Schritt 1.1.1.4

Berechne $\frac{d}{d x} [30 x^{2}]$ .

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Schritt 1.1.1.4.1

Da $30$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $30 x^{2}$ nach $x$ gleich $30 \frac{d}{d x} [x^{2}]$ .

$f' (x) = 12 x^{3} - 72 x^{2} + 30 \frac{d}{d x} (x^{2})$

Schritt 1.1.1.4.2

Differenziere unter Anwendung der Potenzregel, die besagt, dass $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ gleich $n x^{n - 1}$ ist mit $n = 2$ .

$f' (x) = 12 x^{3} - 72 x^{2} + 30 (2 x)$

Schritt 1.1.1.4.3

Mutltipliziere $2$ mit $30$ .

$f' (x) = 12 x^{3} - 72 x^{2} + 60 x$

Schritt 1.1.2

Bestimme die zweite Ableitung.

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Schritt 1.1.2.1

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $12 x^{3} - 72 x^{2} + 60 x$ nach $x$ $\frac{d}{d x} [12 x^{3}] + \frac{d}{d x} [- 72 x^{2}] + \frac{d}{d x} [60 x]$ .

$f'' (x) = \frac{d}{d x} (12 x^{3}) + \frac{d}{d x} (- 72 x^{2}) + \frac{d}{d x} (60 x)$

Schritt 1.1.2.2

Berechne $\frac{d}{d x} [12 x^{3}]$ .

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Schritt 1.1.2.2.1

Da $12$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $12 x^{3}$ nach $x$ gleich $12 \frac{d}{d x} [x^{3}]$ .

$f'' (x) = 12 \frac{d}{d x} (x^{3}) + \frac{d}{d x} (- 72 x^{2}) + \frac{d}{d x} (60 x)$

Schritt 1.1.2.2.2

Differenziere unter Anwendung der Potenzregel, die besagt, dass $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ gleich $n x^{n - 1}$ ist mit $n = 3$ .

$f'' (x) = 12 (3 x^{2}) + \frac{d}{d x} (- 72 x^{2}) + \frac{d}{d x} (60 x)$

Schritt 1.1.2.2.3

Mutltipliziere $3$ mit $12$ .

$f'' (x) = 36 x^{2} + \frac{d}{d x} (- 72 x^{2}) + \frac{d}{d x} (60 x)$

Schritt 1.1.2.3

Berechne $\frac{d}{d x} [- 72 x^{2}]$ .

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Schritt 1.1.2.3.1

Da $- 72$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $- 72 x^{2}$ nach $x$ gleich $- 72 \frac{d}{d x} [x^{2}]$ .

$f'' (x) = 36 x^{2} - 72 \frac{d}{d x} x^{2} + \frac{d}{d x} (60 x)$

Schritt 1.1.2.3.2

Differenziere unter Anwendung der Potenzregel, die besagt, dass $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ gleich $n x^{n - 1}$ ist mit $n = 2$ .

$f'' (x) = 36 x^{2} - 72 (2 x) + \frac{d}{d x} (60 x)$

Schritt 1.1.2.3.3

Mutltipliziere $2$ mit $- 72$ .

$f'' (x) = 36 x^{2} - 144 x + \frac{d}{d x} (60 x)$

Schritt 1.1.2.4

Berechne $\frac{d}{d x} [60 x]$ .

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Schritt 1.1.2.4.1

Da $60$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $60 x$ nach $x$ gleich $60 \frac{d}{d x} [x]$ .

$f'' (x) = 36 x^{2} - 144 x + 60 \frac{d}{d x} (x)$

Schritt 1.1.2.4.2

Differenziere unter Anwendung der Potenzregel, die besagt, dass $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ gleich $n x^{n - 1}$ ist mit $n = 1$ .

$f'' (x) = 36 x^{2} - 144 x + 60 \cdot 1$

Schritt 1.1.2.4.3

Mutltipliziere $60$ mit $1$ .

$f'' (x) = 36 x^{2} - 144 x + 60$

Schritt 1.1.3

Die zweite Ableitung von $f (x)$ nach $x$ ist $36 x^{2} - 144 x + 60$ .

$36 x^{2} - 144 x + 60$

Schritt 1.2

Setze die zweite Ableitung gleich $0$ , dann löse die Gleichung $36 x^{2} - 144 x + 60 = 0$ .

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Schritt 1.2.1

Setze die zweite Ableitung gleich $0$ .

$36 x^{2} - 144 x + 60 = 0$

Schritt 1.2.2

Faktorisiere $12$ aus $36 x^{2} - 144 x + 60$ heraus.

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Schritt 1.2.2.1

Faktorisiere $12$ aus $36 x^{2}$ heraus.

$12 (3 x^{2}) - 144 x + 60 = 0$

Schritt 1.2.2.2

Faktorisiere $12$ aus $- 144 x$ heraus.

$12 (3 x^{2}) + 12 (- 12 x) + 60 = 0$

Schritt 1.2.2.3

Faktorisiere $12$ aus $60$ heraus.

$12 (3 x^{2}) + 12 (- 12 x) + 12 (5) = 0$

Schritt 1.2.2.4

Faktorisiere $12$ aus $12 (3 x^{2}) + 12 (- 12 x)$ heraus.

$12 (3 x^{2} - 12 x) + 12 (5) = 0$

Schritt 1.2.2.5

Faktorisiere $12$ aus $12 (3 x^{2} - 12 x) + 12 (5)$ heraus.

$12 (3 x^{2} - 12 x + 5) = 0$

Schritt 1.2.3

Teile jeden Ausdruck in $12 (3 x^{2} - 12 x + 5) = 0$ durch $12$ und vereinfache.

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Schritt 1.2.3.1

Teile jeden Ausdruck in $12 (3 x^{2} - 12 x + 5) = 0$ durch $12$ .

$\frac{12 (3 x^{2} - 12 x + 5)}{12} = \frac{0}{12}$

Schritt 1.2.3.2

Vereinfache die linke Seite.

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Schritt 1.2.3.2.1

Kürze den gemeinsamen Faktor von $12$ .

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Schritt 1.2.3.2.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{12 (3 x^{2} - 12 x + 5)}{12} = \frac{0}{12}$

Schritt 1.2.3.2.1.2

Dividiere $3 x^{2} - 12 x + 5$ durch $1$ .

$3 x^{2} - 12 x + 5 = \frac{0}{12}$

Schritt 1.2.3.3

Vereinfache die rechte Seite.

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Schritt 1.2.3.3.1

Dividiere $0$ durch $12$ .

$3 x^{2} - 12 x + 5 = 0$

Schritt 1.2.4

Verwende die Quadratformel, um die Lösungen zu finden.

$\frac{- b \pm \sqrt{b^{2} - 4 (a c)}}{2 a}$

Schritt 1.2.5

Setze die Werte $a = 3$ , $b = - 12$ und $c = 5$ in die Quadratformel ein und löse nach $x$ auf.

$\frac{12 \pm \sqrt{{(- 12)}^{2} - 4 \cdot (3 \cdot 5)}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.6

Vereinfache.

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Schritt 1.2.6.1

Vereinfache den Zähler.

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Schritt 1.2.6.1.1

Potenziere $- 12$ mit $2$ .

$x = \frac{12 \pm \sqrt{144 - 4 \cdot 3 \cdot 5}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.6.1.2

Multipliziere $- 4 \cdot 3 \cdot 5$ .

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Schritt 1.2.6.1.2.1

Mutltipliziere $- 4$ mit $3$ .

$x = \frac{12 \pm \sqrt{144 - 12 \cdot 5}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.6.1.2.2

Mutltipliziere $- 12$ mit $5$ .

$x = \frac{12 \pm \sqrt{144 - 60}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.6.1.3

Subtrahiere $60$ von $144$ .

$x = \frac{12 \pm \sqrt{84}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.6.1.4

Schreibe $84$ als $2^{2} \cdot 21$ um.

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Schritt 1.2.6.1.4.1

Faktorisiere $4$ aus $84$ heraus.

$x = \frac{12 \pm \sqrt{4 (21)}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.6.1.4.2

Schreibe $4$ als $2^{2}$ um.

$x = \frac{12 \pm \sqrt{2^{2} \cdot 21}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.6.1.5

Ziehe Terme aus der Wurzel heraus.

$x = \frac{12 \pm 2 \sqrt{21}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.6.2

Mutltipliziere $2$ mit $3$ .

$x = \frac{12 \pm 2 \sqrt{21}}{6}$

Schritt 1.2.6.3

Vereinfache $\frac{12 \pm 2 \sqrt{21}}{6}$ .

$x = \frac{6 \pm \sqrt{21}}{3}$

Schritt 1.2.7

Vereinfache den Ausdruck, um nach dem $+$ -Teil von $\pm$ aufzulösen.

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Schritt 1.2.7.1

Vereinfache den Zähler.

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Schritt 1.2.7.1.1

Potenziere $- 12$ mit $2$ .

$x = \frac{12 \pm \sqrt{144 - 4 \cdot 3 \cdot 5}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.7.1.2

Multipliziere $- 4 \cdot 3 \cdot 5$ .

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Schritt 1.2.7.1.2.1

Mutltipliziere $- 4$ mit $3$ .

$x = \frac{12 \pm \sqrt{144 - 12 \cdot 5}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.7.1.2.2

Mutltipliziere $- 12$ mit $5$ .

$x = \frac{12 \pm \sqrt{144 - 60}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.7.1.3

Subtrahiere $60$ von $144$ .

$x = \frac{12 \pm \sqrt{84}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.7.1.4

Schreibe $84$ als $2^{2} \cdot 21$ um.

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Schritt 1.2.7.1.4.1

Faktorisiere $4$ aus $84$ heraus.

$x = \frac{12 \pm \sqrt{4 (21)}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.7.1.4.2

Schreibe $4$ als $2^{2}$ um.

$x = \frac{12 \pm \sqrt{2^{2} \cdot 21}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.7.1.5

Ziehe Terme aus der Wurzel heraus.

$x = \frac{12 \pm 2 \sqrt{21}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.7.2

Mutltipliziere $2$ mit $3$ .

$x = \frac{12 \pm 2 \sqrt{21}}{6}$

Schritt 1.2.7.3

Vereinfache $\frac{12 \pm 2 \sqrt{21}}{6}$ .

$x = \frac{6 \pm \sqrt{21}}{3}$

Schritt 1.2.7.4

Ändere das $\pm$ zu $+$ .

$x = \frac{6 + \sqrt{21}}{3}$

Schritt 1.2.8

Vereinfache den Ausdruck, um nach dem $-$ -Teil von $\pm$ aufzulösen.

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Schritt 1.2.8.1

Vereinfache den Zähler.

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Schritt 1.2.8.1.1

Potenziere $- 12$ mit $2$ .

$x = \frac{12 \pm \sqrt{144 - 4 \cdot 3 \cdot 5}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.8.1.2

Multipliziere $- 4 \cdot 3 \cdot 5$ .

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Schritt 1.2.8.1.2.1

Mutltipliziere $- 4$ mit $3$ .

$x = \frac{12 \pm \sqrt{144 - 12 \cdot 5}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.8.1.2.2

Mutltipliziere $- 12$ mit $5$ .

$x = \frac{12 \pm \sqrt{144 - 60}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.8.1.3

Subtrahiere $60$ von $144$ .

$x = \frac{12 \pm \sqrt{84}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.8.1.4

Schreibe $84$ als $2^{2} \cdot 21$ um.

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Schritt 1.2.8.1.4.1

Faktorisiere $4$ aus $84$ heraus.

$x = \frac{12 \pm \sqrt{4 (21)}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.8.1.4.2

Schreibe $4$ als $2^{2}$ um.

$x = \frac{12 \pm \sqrt{2^{2} \cdot 21}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.8.1.5

Ziehe Terme aus der Wurzel heraus.

$x = \frac{12 \pm 2 \sqrt{21}}{2 \cdot 3}$

Schritt 1.2.8.2

Mutltipliziere $2$ mit $3$ .

$x = \frac{12 \pm 2 \sqrt{21}}{6}$

Schritt 1.2.8.3

Vereinfache $\frac{12 \pm 2 \sqrt{21}}{6}$ .

$x = \frac{6 \pm \sqrt{21}}{3}$

Schritt 1.2.8.4

Ändere das $\pm$ zu $-$ .

$x = \frac{6 - \sqrt{21}}{3}$

Schritt 1.2.9

Die endgültige Lösung ist die Kombination beider Lösungen.

$x = \frac{6 + \sqrt{21}}{3}, \frac{6 - \sqrt{21}}{3}$

Schritt 2

Der Definitionsbereich umfasst alle reellen Zahlen, ausgenommen jene, für die der Ausdruck nicht definiert ist. In diesem Fall gibt es keine reellen Zahlen, für die der Ausdruck nicht definiert ist.

Intervallschreibweise:

$(- \infty, \infty)$

Aufzählende bzw. beschreibende Mengenschreibweise:

${x | x \in ℝ}$

Schritt 3

Erzeuge Intervalle um die $x$ -Werte, wo die 2. Ableitung 0 ist oder nicht definiert ist.

$(- \infty, \frac{6 - \sqrt{21}}{3}) \cup (\frac{6 - \sqrt{21}}{3}, \frac{6 + \sqrt{21}}{3}) \cup (\frac{6 + \sqrt{21}}{3}, \infty)$

Schritt 4

Setze eine beliebige Zahl aus dem Intervall $(- \infty, \frac{6 - \sqrt{21}}{3})$ in die zweite Ableitung ein und berechne, um die Konkavität zu bestimmen.

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Schritt 4.1

Ersetze in dem Ausdruck die Variable $x$ durch $0$ .

$f'' (0) = 36 {(0)}^{2} - 144 \cdot 0 + 60$

Schritt 4.2

Vereinfache das Ergebnis.

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Schritt 4.2.1

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 4.2.1.1

$0$ zu einer beliebigen, positiven Potenz zu erheben ergibt $0$ .

$f'' (0) = 36 \cdot 0 - 144 \cdot 0 + 60$

Schritt 4.2.1.2

Mutltipliziere $36$ mit $0$ .

$f'' (0) = 0 - 144 \cdot 0 + 60$

Schritt 4.2.1.3

Mutltipliziere $- 144$ mit $0$ .

$f'' (0) = 0 + 0 + 60$

Schritt 4.2.2

Vereinfache durch Addieren von Zahlen.

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Schritt 4.2.2.1

Addiere $0$ und $0$ .

$f'' (0) = 0 + 60$

Schritt 4.2.2.2

Addiere $0$ und $60$ .

$f'' (0) = 60$

Schritt 4.2.3

Die endgültige Lösung ist $60$ .

$60$

Schritt 4.3

Der Graph ist im Intervall $(- \infty, \frac{6 - \sqrt{21}}{3})$ konvex, weil $f'' (0)$ positiv ist.

Konvex im Intervall $(- \infty, \frac{6 - \sqrt{21}}{3})$ , da $f'' (x)$ positiv ist

Schritt 5

Setze eine beliebige Zahl aus dem Intervall $(\frac{6 - \sqrt{21}}{3}, \frac{6 + \sqrt{21}}{3})$ in die zweite Ableitung ein und berechne, um die Konkavität zu bestimmen.

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Schritt 5.1

Ersetze in dem Ausdruck die Variable $x$ durch $2$ .

$f'' (2) = 36 {(2)}^{2} - 144 \cdot 2 + 60$

Schritt 5.2

Vereinfache das Ergebnis.

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Schritt 5.2.1

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 5.2.1.1

Potenziere $2$ mit $2$ .

$f'' (2) = 36 \cdot 4 - 144 \cdot 2 + 60$

Schritt 5.2.1.2

Mutltipliziere $36$ mit $4$ .

$f'' (2) = 144 - 144 \cdot 2 + 60$

Schritt 5.2.1.3

Mutltipliziere $- 144$ mit $2$ .

$f'' (2) = 144 - 288 + 60$

Schritt 5.2.2

Vereinfache durch Addieren und Subtrahieren.

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Schritt 5.2.2.1

Subtrahiere $288$ von $144$ .

$f'' (2) = - 144 + 60$

Schritt 5.2.2.2

Addiere $- 144$ und $60$ .

$f'' (2) = - 84$

Schritt 5.2.3

Die endgültige Lösung ist $- 84$ .

$- 84$

Schritt 5.3

Der Graph ist im Intervall $(\frac{6 - \sqrt{21}}{3}, \frac{6 + \sqrt{21}}{3})$ konkav, weil $f'' (2)$ negativ ist.

Konkav im Intervall $(\frac{6 - \sqrt{21}}{3}, \frac{6 + \sqrt{21}}{3})$ , da $f'' (x)$ negativ ist

Schritt 6

Setze eine beliebige Zahl aus dem Intervall $(\frac{6 + \sqrt{21}}{3}, \infty)$ in die zweite Ableitung ein und berechne, um die Konkavität zu bestimmen.

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Schritt 6.1

Ersetze in dem Ausdruck die Variable $x$ durch $6$ .

$f'' (6) = 36 {(6)}^{2} - 144 \cdot 6 + 60$

Schritt 6.2

Vereinfache das Ergebnis.

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Schritt 6.2.1

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 6.2.1.1

Potenziere $6$ mit $2$ .

$f'' (6) = 36 \cdot 36 - 144 \cdot 6 + 60$

Schritt 6.2.1.2

Mutltipliziere $36$ mit $36$ .

$f'' (6) = 1296 - 144 \cdot 6 + 60$

Schritt 6.2.1.3

Mutltipliziere $- 144$ mit $6$ .

$f'' (6) = 1296 - 864 + 60$

Schritt 6.2.2

Vereinfache durch Addieren und Subtrahieren.

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Schritt 6.2.2.1

Subtrahiere $864$ von $1296$ .

$f'' (6) = 432 + 60$

Schritt 6.2.2.2

Addiere $432$ und $60$ .

$f'' (6) = 492$

Schritt 6.2.3

Die endgültige Lösung ist $492$ .

$492$

Schritt 6.3

Der Graph ist im Intervall $(\frac{6 + \sqrt{21}}{3}, \infty)$ konvex, weil $f'' (6)$ positiv ist.

Konvex im Intervall $(\frac{6 + \sqrt{21}}{3}, \infty)$ , da $f'' (x)$ positiv ist

Schritt 7

Der Graph ist konvex, wenn die zweite Ableitung negativ ist und konkav, wenn die zweite Ableitung positiv ist.

Konvex im Intervall $(- \infty, \frac{6 - \sqrt{21}}{3})$ , da $f'' (x)$ positiv ist

Konkav im Intervall $(\frac{6 - \sqrt{21}}{3}, \frac{6 + \sqrt{21}}{3})$ , da $f'' (x)$ negativ ist

Konvex im Intervall $(\frac{6 + \sqrt{21}}{3}, \infty)$ , da $f'' (x)$ positiv ist

Schritt 8