/*! This file is auto-generated */ .wp-block-button__link{color:#fff;background-color:#32373c;border-radius:9999px;box-shadow:none;text-decoration:none;padding:calc(.667em + 2px) calc(1.333em + 2px);font-size:1.125em}.wp-block-file__button{background:#32373c;color:#fff;text-decoration:none} Problem 14 Bestimmen und klassifizieren Sie... [FREE SOLUTION] | 91影视

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Bestimmen und klassifizieren Sie alle Extrema der auf \(\mathbb{R}\) durch $$ \begin{aligned} &f(x)=x \mathrm{e}^{-x^{2}}-\int_{0}^{x} \mathrm{e}^{-t^{2}} \mathrm{~d} t, \\\ &g(x)=\int_{0}^{x} \frac{\sin t}{1+t^{2}} \mathrm{~d} t \end{aligned} $$ definierten Funktionen.

Short Answer

Expert verified
Question: Determine and classify all extrema of the functions f(x) = x e^{-x^2} - \int_0^x e^{-t^2} dt and g(x) = \int_0^x \frac{\sin t}{1+t^2} dt in 鈩. Answer: For the function f(x), there is a local maximum at x = 0. For the function g(x), there is a local maximum at x = 0 (and all integer multiples of 2蟺), a local minimum at x = 蟺 (and all integer multiples of 2蟺 plus 蟺), and this pattern alternates for other multiples of 蟺.

Step by step solution

01

Find the derivatives of f(x) and g(x)

To find the extrema of a function, we need to find its derivative. So, let's find the derivatives of f(x) and g(x): For f(x): $$ \begin{aligned} f(x) &= x e^{-x^2} - \int_{0}^{x} e^{-t^2} dt \end{aligned} $$ Applying the Leibniz rule for differentiating under the integral sign and using the chain rule, we get: $$ \begin{aligned} f'(x) &= (1 - 2x^2) e^{-x^2} - e^{-x^2} \end{aligned} $$ For g(x): $$ \begin{aligned} g(x) &= \int_{0}^{x} \frac{\sin t}{1+t^2} dt \end{aligned} $$ Again, applying the Leibniz rule for differentiating under the integral sign, we get: $$ \begin{aligned} g'(x) &= \frac{\sin x}{1+x^2} \end{aligned} $$
02

Determine the critical points for f'(x) and g'(x)

We find the critical points by setting the derivatives equal to 0: For f'(x): $$ \begin{aligned} (1 - 2x^2) e^{-x^2} - e^{-x^2} &= 0 \end{aligned} $$ Factor out the common term e^{-x^2}: $$ \begin{aligned} (1 - 2x^2 - 1)e^{-x^2} &= 0 \\ -2x^2 e^{-x^2} &= 0 \end{aligned} $$ Since e^{-x^2} is never 0, we can divide by e^{-x^2} on both sides: $$ \begin{aligned} -2x^2 &= 0 \end{aligned} $$ Solving for x: $$ \begin{aligned} x &= 0 \end{aligned} $$ So, the critical points for f(x) are x=0. For g'(x): $$ \begin{aligned} \frac{\sin x}{1+x^2} &= 0 \end{aligned} $$ The critical points for g(x) occur when sin(x) = 0, which are the multiples of 蟺.
03

Use the second derivative test to classify each critical point

To classify the critical points, we will find the second derivatives and analyze their signs: For f(x), find f''(x): $$ \begin{aligned} f''(x) &= \frac{d}{dx} (-2x^2 e^{-x^2}) \\ &= (-4x + 4x^3) e^{-x^2} \end{aligned} $$ Evaluating f''(0): $$ \begin{aligned} f''(0) &= (-4(0) + 4(0)^3)e^{-0^2} = 0 \end{aligned} $$ Since f''(0) = 0, the second derivative test is inconclusive. However, we can analyze the sign of f'(x) to the left and right of 0: $$ \begin{aligned} f'(x) &= (1 - 2x^2) e^{-x^2} - e^{-x^2} \end{aligned} $$ When x < 0, f'(x) > 0, and when x > 0, f'(x) < 0. This shows that the function f(x) increases to the left of 0 and decreases to the right of 0, so x = 0 is a local maximum for f(x). For g(x), find g''(x): $$ \begin{aligned} g''(x) &= \frac{d}{dx} (\frac{\sin x}{1+x^2}) \\ &= \frac{(1+x^2)\cos x - 2x\sin x}{(1+x^2)^2} \end{aligned} $$ Since g''(x) has a complicated expression, we cannot classify the critical points analytically. However, by observing the graph of g(x), we can determine that the critical points occur at the points where sin(x) = 0 (which are the multiples of 蟺) and change the concavity between those points. Hence, the local maxima and minima of g(x) alternate at the multiples of 蟺, starting with a local maximum at x = 0, a local minimum at x = 蟺, a local maximum at x=-蟺, and continuing in this manner.

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Key Concepts

These are the key concepts you need to understand to accurately answer the question.

Ableitung von Funktionen
Die Ableitung einer Funktion ist ein grundlegendes Werkzeug der Analysis, das angibt, wie sich der Wert einer Funktion ver盲ndert, wenn sich der Wert ihres Inputparameters - h盲ufig die Zeit oder die Position - ver盲ndert. Es ist das mathematische 脛quivalent zur Steigung einer Kurve an einem bestimmten Punkt.

Im Kontext der gegebenen Funktionen f(x) und g(x), finden wir die Ableitungen, um die Orte m枚glicher Extrema zu bestimmen. Dazu verwenden wir die Produktregel und die Kettenregel. F眉r f(x) beispielsweise ergibt sich die ableitete Funktion f'(x), indem das Produkt x und die Exponentialfunktion e^{-x^2} sowie das Integral getrennt differenziert werden. Die Ableitung zeigt uns, an welchen Stellen die Steigung der Funktion Null ist - die potentiellen Extrema - und wie sich die Funktion um diese Punkte herum verh盲lt. Das Konzept der Ableitung ist unerl盲sslich, um das Verhalten von Funktionen zu verstehen und vorherzusagen.
Leibniz-Regel
Die Leibniz-Regel ist eine Methode zum Differenzieren von Integralen, die von einer Variable abh盲ngen. Diese Technik ist besonders hilfreich, wenn wir die Ableitung einer Funktion finden m眉ssen, die ein Integral enth盲lt, wie in unseren Funktionen f(x) und g(x).

Die Regel besagt im Wesentlichen, dass die Ableitung eines bestimmten Integrals hinsichtlich seiner oberen Grenze gleich dem Integranden an dieser Grenze ist, sofern die untere Grenze konstant ist. Bei der Funktion g(x) zum Beispiel ist das Integral von 0 bis x des Quotienten von Sinus und Quadrat. Durch Anwendung der Leibniz-Regel erhalten wir einfach den Integranden an der Stelle x, was sin(x) / (1 + x^2) ist. Dieser Ansatz erleichtert das Differenzieren komplexer Funktionen mit Integraltermen substantiell.
Kritische Punkte
Als kritische Punkte werden die Werte einer Funktion bezeichnet, an denen ihre erste Ableitung Null ist oder nicht existiert. Diese Punkte sind deswegen von Interesse, da sie potentielle Orte f眉r lokale Maxima oder Minima - Extrema - sind.

In unserer Funktion f(x) zum Beispiel ergaben sich kritische Punkte, als wir die Ableitung f'(x) gleich Null setzten. Die Funktion f'(x) hat die Form (1 - 2x^2)e^{-x^2} - e^{-x^2}, deren Nullstellen die Funktion auf Extrema untersucht werden. Kritische Punkte erhellen m枚gliche Wendepunkte oder Sonderheiten wie Spitzen oder Flachstellen in der Graphik der Funktion. Die korrekte Bestimmung dieser Punkte ist f眉r das Verst盲ndnis des Gesamtverhaltens einer Funktion unentbehrlich.
Zweite Ableitungstest
Der Zweite Ableitungstest ist ein Verfahren zur Klassifizierung von kritischen Punkten. Wenn wir feststellen, dass die erste Ableitung einer Funktion an einem bestimmten Punkt Null ist, k枚nnen wir mit diesem Test herausfinden, ob es sich um ein lokales Maximum, ein lokales Minimum oder um keinen von beiden handelt.

Bei der Funktion f(x) berechnen wir f''(x), um das Verhalten der Ableitung um den kritischen Punkt zu pr眉fen. Ist f''(x) positiv, liegt dort ein Minimum vor; ist sie negativ, ein Maximum. Bei einem Wert von Null ist der Test nicht schl眉ssig und erfordert weitere Untersuchungen. Im Fall unserer Funktion f(x) ist der Test bei x = 0 nicht schl眉ssig. Wir finden jedoch heraus, dass f(x) links von Null steigt und rechts von Null f盲llt, was auf ein lokales Maximum bei x = 0 hindeutet. Der Test wurde auch f眉r g(x) angewandt, aber wegen des komplizierteren Ausdrucks des zweiten Partiellen m眉ssen wir alternative Methoden nutzen, um die Extrema dieser Funktion zu klassifizieren.

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脺berpr眉fen Sie, ob der folgende Grenzwert existiert: $$ \lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{k=1}^{n} \int_{-\infty}^{0} \mathrm{e}^{k x} \mathrm{~d} x $$

Die Fresnel'schen Integrale \(C\) und \(S\) sind auf \(\mathbb{R}\) gegeben durch $$ \begin{aligned} &C(x)=\int_{0}^{x} \cos \left(t^{2}\right) \mathrm{d} t \\ &S(x)=\int_{0}^{x} \sin \left(t^{2}\right) \mathrm{d} t \end{aligned} $$ Bestimmen und klassifizieren Sie alle Extrema dieser Funktionen,

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Im Folgenden sind alle Koordinaten in \(\mathrm{cm}\) angegeben: Ein Glas entsteht durch Rotation des durch \(y>0\) bestimmten Astes der Hyperbel $$ y^{2}-x^{2}=1 $$ (Innenfl盲che) sowie Rotation der Halbgeraden $$ y=x, \quad x \geq 0 $$ (Au脽enfl盲che). Es wird nach oben durch die Ebene $$ y=c>1 $$ begrenzt. Bestimmen Sie f眉r \(c=3\) das Fl眉ssigkeitsvolumen, das in dem Glas maximal Platz findet, sowie die Masse des leeren Glases, wenn dieses aus einem Material der Dichte $$ \rho=2.2 \frac{\mathrm{g}}{\mathrm{cm}^{3}} $$ besteht. Ermitteln Sie einen allgemeinen Ausdruck f眉r die Masse eines leeren Glases mit H枚he \(c\) und Dichte \(\rho\).

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