Analysis Beispiele

$f (x) = {(x + 3)}^{4}$

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

Differenziere unter Anwendung der Kettenregel, die besagt, dass $\frac{d}{d x} [f (g (x))]$ ist $f' (g (x)) g' (x)$ , mit $f (x) = x^{4}$ und $g (x) = x + 3$ .

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Schritt 1.1.1.1.1

Um die Kettenregel anzuwenden, ersetze $u$ durch $x + 3$ .

$f' (x) = \frac{d}{d u} (u^{4}) \frac{d}{d x} (x + 3)$

Schritt 1.1.1.1.2

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

$f' (x) = 4 u^{3} \frac{d}{d x} (x + 3)$

Schritt 1.1.1.1.3

Ersetze alle $u$ durch $x + 3$ .

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

Schritt 1.1.1.2

Differenziere.

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Schritt 1.1.1.2.1

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $x + 3$ nach $x$ $\frac{d}{d x} [x] + \frac{d}{d x} [3]$ .

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

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 $n = 1$ .

$f' (x) = 4 {(x + 3)}^{3} (1 + \frac{d}{d x} (3))$

Schritt 1.1.1.2.3

Da $3$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $3$ bezüglich $x$ gleich $0$ .

$f' (x) = 4 {(x + 3)}^{3} (1 + 0)$

Schritt 1.1.1.2.4

Vereinfache den Ausdruck.

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Schritt 1.1.1.2.4.1

Addiere $1$ und $0$ .

$f' (x) = 4 {(x + 3)}^{3} \cdot 1$

Schritt 1.1.1.2.4.2

Mutltipliziere $4$ mit $1$ .

$f' (x) = 4 {(x + 3)}^{3}$

Schritt 1.1.2

Bestimme die zweite Ableitung.

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Schritt 1.1.2.1

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

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

Schritt 1.1.2.2

Differenziere unter Anwendung der Kettenregel, die besagt, dass $\frac{d}{d x} [f (g (x))]$ ist $f' (g (x)) g' (x)$ , mit $f (x) = x^{3}$ und $g (x) = x + 3$ .

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Schritt 1.1.2.2.1

Um die Kettenregel anzuwenden, ersetze $u$ durch $x + 3$ .

$f'' (x) = 4 (\frac{d}{d u} (u^{3}) \frac{d}{d x} (x + 3))$

Schritt 1.1.2.2.2

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

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

Schritt 1.1.2.2.3

Ersetze alle $u$ durch $x + 3$ .

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

Schritt 1.1.2.3

Differenziere.

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Schritt 1.1.2.3.1

Mutltipliziere $3$ mit $4$ .

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

Schritt 1.1.2.3.2

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $x + 3$ nach $x$ $\frac{d}{d x} [x] + \frac{d}{d x} [3]$ .

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

Schritt 1.1.2.3.3

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

$f'' (x) = 12 {(x + 3)}^{2} (1 + \frac{d}{d x} (3))$

Schritt 1.1.2.3.4

Da $3$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $3$ bezüglich $x$ gleich $0$ .

$f'' (x) = 12 {(x + 3)}^{2} (1 + 0)$

Schritt 1.1.2.3.5

Vereinfache den Ausdruck.

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Schritt 1.1.2.3.5.1

Addiere $1$ und $0$ .

$f'' (x) = 12 {(x + 3)}^{2} \cdot 1$

Schritt 1.1.2.3.5.2

Mutltipliziere $12$ mit $1$ .

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

Schritt 1.1.3

Die zweite Ableitung von $f (x)$ nach $x$ ist $12 {(x + 3)}^{2}$ .

$12 {(x + 3)}^{2}$

Schritt 1.2

Setze die zweite Ableitung gleich $0$ , dann löse die Gleichung $12 {(x + 3)}^{2} = 0$ .

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Schritt 1.2.1

Setze die zweite Ableitung gleich $0$ .

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

Schritt 1.2.2

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

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Schritt 1.2.2.1

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

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

Schritt 1.2.2.2

Vereinfache die linke Seite.

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Schritt 1.2.2.2.1

Kürze den gemeinsamen Faktor von $12$ .

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Schritt 1.2.2.2.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

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

Schritt 1.2.2.2.1.2

Dividiere ${(x + 3)}^{2}$ durch $1$ .

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

Schritt 1.2.2.3

Vereinfache die rechte Seite.

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Schritt 1.2.2.3.1

Dividiere $0$ durch $12$ .

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

Schritt 1.2.3

Setze $x + 3$ gleich $0$ .

$x + 3 = 0$

Schritt 1.2.4

Subtrahiere $3$ von beiden Seiten der Gleichung.

$x = - 3$

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.

$(- \infty, - 3) \cup (- 3, \infty)$

Schritt 4

Setze eine beliebige Zahl aus dem Intervall $(- \infty, - 3)$ 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 $- 6$ .

$f'' (- 6) = 12 {((- 6) + 3)}^{2}$

Schritt 4.2

Vereinfache das Ergebnis.

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Schritt 4.2.1

Addiere $- 6$ und $3$ .

$f'' (- 6) = 12 {(- 3)}^{2}$

Schritt 4.2.2

Potenziere $- 3$ mit $2$ .

$f'' (- 6) = 12 \cdot 9$

Schritt 4.2.3

Mutltipliziere $12$ mit $9$ .

$f'' (- 6) = 108$

Schritt 4.2.4

Die endgültige Lösung ist $108$ .

$108$

Schritt 4.3

Der Graph ist im Intervall $(- \infty, - 3)$ konvex, weil $f'' (- 6)$ positiv ist.

Konvex im Intervall $(- \infty, - 3)$ , da $f'' (x)$ positiv ist

Schritt 5

Setze eine beliebige Zahl aus dem Intervall $(- 3, \infty)$ 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 $0$ .

$f'' (0) = 12 {((0) + 3)}^{2}$

Schritt 5.2

Vereinfache das Ergebnis.

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Schritt 5.2.1

Addiere $0$ und $3$ .

$f'' (0) = 12 \cdot 3^{2}$

Schritt 5.2.2

Potenziere $3$ mit $2$ .

$f'' (0) = 12 \cdot 9$

Schritt 5.2.3

Mutltipliziere $12$ mit $9$ .

$f'' (0) = 108$

Schritt 5.2.4

Die endgültige Lösung ist $108$ .

$108$

Schritt 5.3

Der Graph ist im Intervall $(- 3, \infty)$ konvex, weil $f'' (0)$ positiv ist.

Konvex im Intervall $(- 3, \infty)$ , da $f'' (x)$ positiv ist

Schritt 6

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

Konvex im Intervall $(- \infty, - 3)$ , da $f'' (x)$ positiv ist

Konvex im Intervall $(- 3, \infty)$ , da $f'' (x)$ positiv ist

Schritt 7