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Gegeben ist die Funktion \(f\) mit \(f(x) = \frac{1}{8}x^4 + \frac{3}{2}x^2 + 5x\).
1. Weise mithilfe der zweiten Ableitung und des Grenzwertverhaltens von \(f'\) nach, dass die Funktion \(f\) genau eine Extremstelle besitzt.
2. Bestimme diese Extremstelle mithilfe des Newton-Verfahrens auf drei Dezimalstellen genau. Wähle als Startwert \(x_0 = -1\).
Denkanstöße
- Was sagt das Vorzeichen der zweiten Ableitung über den Verlauf der ersten Ableitung aus?
- Wie viele Nullstellen kann eine stetige, streng monotone Funktion höchstens haben?
- Überprüfe die Grenzwerte der ersten Ableitung für sehr große und sehr kleine \(x\)-Werte.
- Denke an die Formel für das Newton-Verfahren, um Nullstellen einer Funktion zu finden. In diesem Fall suchen wir die Nullstellen von \(f'\).
Lösung
1. Die erste Ableitung lautet \(f'(x) = \frac{1}{2}x^3 + 3x + 5\), die zweite Ableitung \(f''(x) = \frac{3}{2}x^2 + 3\). Da \(x^2 \geq 0\) für alle \(x \in \mathbb{R}\), gilt \(f''(x) \geq 3 > 0\). Somit ist \(f'\) auf ganz \(\mathbb{R}\) streng monoton steigend. Wegen \(\lim_{x \to -\infty} f'(x) = -\infty\) und \(\lim_{x \to \infty} f'(x) = \infty\) folgt aus dem Zwischenwertsatz und der strengen Monotonie, dass \(f'\) genau eine Nullstelle besitzt. Da \(f''(x) > 0\) für alle \(x\), handelt es sich bei dieser Nullstelle um eine lokale Minimalstelle von \(f\).
2. Das Newton-Verfahren zur Bestimmung der Nullstelle von \(f'\) nutzt die Iterationsvorschrift \(x_{n+1} = x_n - \frac{f'(x_n)}{f''(x_n)}\).
Mit \(x_0 = -1\):
\(x_1 = -1 - \frac{f'(-1)}{f''(-1)} = -1 - \frac{1{,}5}{4{,}5} \approx -1{,}3333\)
\(x_2 \approx -1{,}3333 - \frac{f'(-1{,}3333)}{f''(-1{,}3333)} \approx -1{,}3333 - \frac{-0{,}1852}{5{,}6667} \approx -1{,}3006\)
\(x_3 \approx -1{,}3006 - \frac{f'(-1{,}3006)}{f''(-1{,}3006)} \approx -1{,}3006 - \frac{-0{,}0019}{5{,}5374} \approx -1{,}3003\)
Die Iteration stabilisiert sich bei \(-1{,}300\).
Antwort
Die Funktion \(f\) besitzt genau eine Extremstelle, da \(f'\) aufgrund von \(f''(x) > 0\) streng monoton steigend ist und von \(-\infty\) nach \(\infty\) verläuft. Die Extremstelle liegt näherungsweise bei \(x \approx -1{,}300\).
