Als erstes stellen wir einen Term auf, der die geforderten Nullstellen besitzt. Dazu bekommt jede Nullstelle ihren Linearfaktor, also $\text{f(x)}=$ $\left(x+1\right)·\left(x+3\right)$.

Um den y-Achsenabschnitt S_y(0|-3) zu überprüfen, setzen wir jetzt einfach x=0 in unseren bisherigen Term ein:

f(0) = $\left(0+1\right)·\left(0+3\right)$ = $3$

Wir müssen somit unseren Term noch mit dem Koeffizienten $-1$ multiplizieren, damit wir den gegebenen y-Achsenabschnit erhalten:

f(0) = $-\left(0+1\right)·\left(0+3\right)$ = $-3$

Da also auch der y-Achsenabschnit passt, haben wir nun einen fertigen Funktionsterm $\text{f(x)}=$ $-\left(x+1\right)\left(x+3\right)$.

Dieser funktionierende Term ist im roten Graphen eingezeichnet

Als erstes erinnern wir uns die natürliche Exponentialfunktion f₀(x)= $e^x$ (im Schaubild in schwarzer Farbe eingezeichnet).

Und hier wissen wir ja bereits:

• Alle Funktionswerte sind >0, also verläuft der Graph komplett über der x-Achse.
• Die Funktionswerte werden (von links nach rechts) immer größer . Die Funktion ist also streng monoton steigend.
• Für x → ∞ strebt $e^x$ gegen ∞ .
• Für x → - ∞ strebt $e^x$ gegen 0 .

Nullstellen sind die x-Werte, an denen der Funktionswert 0 beträgt, es muss also gelten:

f(x)=0

$x^4-3x^2-4$

=

0

Diese Gleichung kann durch Substitution auf eine quadratische Gleichung zurückgeführt werden!

Setze u = $x^2$

Draus ergibt sich die quadratische Gleichung:

Rücksubstitution:

u₁: $x^2$ = $4$

u₂: $x^2$ = $-1$

L={ $-2$; $2$}

Eine Mehrfachheit der Nullstellen muss natürlich auch in der faktorisierten Darstellung berücksichtigt werden.

Wenn wir den substituierten Term $u^2-3u-4$ anschauen, können wir ja auch den erst mal noch faktorisieren:

$x^4-3x^2-4$ =nach Substitution $u^2-3u-4$ = $\left(u-4\right)·\left(u+1\right)$ =nach Re-Substitution $\left(\mathrm{x²}-4\right)·\left(\mathrm{x²}+1\right)$

Somit gilt für die faktorisierte Darstellung:

$\text{f(x)}=$ $\left(x+2\right)·\left(x-2\right)·\left(x^2+1\right)$ = $x^4-3x^2-4$

1. t-Wert beim stärksten Zuwachs

   Gesucht ist der t-Wert des Hochpunkt der Ableitung.

   Dazu berechnen wir erstmal die Ableitungsfunktion f':

   f'(t)= $\frac{1}{9}\left(-3x^2+27\right)$

   = $\frac{1}{3}\left(-x^2+9\right)$

   Wir berechnen also die Extremstellen von f':

   Detail-Rechnung für den Hochpunkt der Ableitung ($0$|3) einblenden

   $\text{f'(t)}=$ $\frac{1}{3}\left(-t^2+9\right)$

   Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

   =>$\text{f''(t)}=$ $\frac{1}{3}\left(-2t+0\right)$

   = $-\frac{2}{3}t$

   $\text{f'''(t)}=$ $-\frac{2}{3}$

   Die notwendige Bedingung für einen Extrempunkt ist f''(x)=0.

   (Alle Extrempunkte haben die Steigung 0).

   Man setzt nun also f''(t) gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Extrempunkte von f' zu bestimmen.

   $-\frac{2}{3}t$	=	0	|⋅ 3
   $-2t$	=	0	|:($-2$)
   $t$	=	0

   Die Lösung t=0 ist nun der einzige Kandidat für eine Extremstelle.

   Die einfachste Möglichkeit, um diese Kandidaten zu überprüfen, ist das Einsetzen dieser x-Werte in f'''(t):

   Ist f'''(t) < 0, so handelt es sich um einen Hochpunkt (hinreichende Bedingung: f''(t₀)=0 und f'''(t₀)<0).
   Ist sie größer 0 handelt es sich um einen Tiefpunkt (hinreichende Bedingung: f''(t₀)=0 und f''(t₀)>0).

   f'''($0$) = $-\frac{2}{3}$= $-\frac{2}{3}$= $-\frac{2}{3}$ <0

   Das heißt bei t = $0$ ist ein Hochpunkt.
   Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende t-Wert in f'(t) eingesetzt werden.
   f'($0$) = $\frac{1}{3}\left(-{\left(0\right)}^2+9\right)$ = $3$
   Man erhält so den Hochpunkt H:($0$| $3$)

   Randwertuntersuchung

   Da ja ein maximaler Wert, also ein globales Maximum gesucht wird, müssen wir noch untersuchen, ob vielleicht an den Rändern noch höhere Werte als beim lokalen Maximum auftreten.

   Dazu setzen wir am linken Rand einfach die linke Grenze des Definitionsbereichs in die Funktion ein: f'(0) = $\frac{1}{3}\left(-0^2+9\right)$ = $3$. Am rechten Rand setzen wir die rechte Grenze des Definitionsbereichs ein: f'(7) = $\frac{1}{3}\left(-7^2+9\right)$ = $-\frac{40}{3}$ ≈ -13.333.

   Weil die Werte an den Rändern kleiner als am Hochpunkt sind, ist das lokale Maximum also ein globales Maximum von f'.

   Bei t = $0$ ist also der größte Wert der Ableitungsfunktion.

2. Bestand zur Zeit 3

   Gesucht ist ja der Bestands zur Zeit t=3 und weil ja f die Änderungsrate des Bestands angibt, kann der Bestands zur Zeit t=3 als Summe vom Anfangsbestand 30 und dem Integral $$\underset{0}{\overset{3}{\int }}\left(\frac{1}{9}\left(-t^3+27t\right)\right)dt$$ berechnet werden.

   Wir berechenn also zuerst das Integral:

   $$\underset{0}{\overset{3}{\int }}\left(\frac{1}{9}\left(-t^3+27t\right)\right)dt$$

   = ${\left[\frac{1}{9}\left(-\frac{1}{4}{x}^4+\frac{27}{2}{x}^2\right)\right]}_0^3$

   $=$ $\frac{1}{9}\left(-\frac{1}{4}\cdot 3^4+\frac{27}{2}\cdot 3^2\right)-\frac{1}{9}\left(-\frac{1}{4}\cdot 0^4+\frac{27}{2}\cdot 0^2\right)$

   = $\frac{1}{9}\left(-\frac{1}{4}\cdot 81+\frac{27}{2}\cdot 9\right)-\frac{1}{9}\left(-\frac{1}{4}\cdot 0+\frac{27}{2}\cdot 0\right)$

   = $\frac{1}{9}\left(-\frac{81}{4}+\frac{243}{2}\right)-\frac{1}{9}\left(0+0\right)$

   = $\frac{1}{9}\left(-\frac{81}{4}+\frac{486}{4}\right)+0$

   = $\frac{1}{9}·\frac{405}{4}$

   = $\frac{45}{4}$

   
   = 11,25

   Jetzt haben wir den Zuwachs und müssen nur noch den Anfangsbestand addieren:
   B(3)≈ 30 + 11.25 = 41.25

   41.25 m³ ist also der gesuchte Bestand zur Zeit t=3.

3. t-Wert beim maximalen Bestand

   Der Bestand ist ja gerade dann am größten, wenn die Änderungsrate von einer Zunahme zu einer Abnahme wechselt, wenn also erstmals nichts mehr dazu, sondern wieder etwas weg kommt.

   Gesucht ist also eine Nullstelle mit Vorzeichenwechsel von + nach - .

   Dazu setzen wir die Funktion gleich Null und lösen nach t auf:

   $\frac{1}{9}\left(-t^3+27t\right)$	=	0
   $-\frac{1}{9}{t}^3+3t$	=	0
   $\frac{1}{9}t\left(-t^2+27\right)$	=	0

   Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.

   1. Fall:

   t1

   =

   0

   
   

   2. Fall:

   $-t^2+27$	=	0	| $-27$
   $-t^2$	=	$-27$	|: $\left(-1\right)$
   $t^2$	=	$27$	|
   t2	=	$-\sqrt{27}$	≈ $-\mathrm{5,196}$
   t3	=	$\sqrt{27}$	≈ $\mathrm{5,196}$

   Da ja nur nichtnegative t-Werte Sinn machen, sind die Nullstellen somit 0 und $\mathrm{5,196}$.

   Da f(4.2) ≈ 4.4 > 0 und f(6.2) ≈ -7.8 < 0 ist, ist die gesuchte Stelle t = 5.2.

   Die gesuchte Zeitpunkt mit maximalem Bestand ist somit bei 5.2 min.