Teilaufgabe 1

Lösung zu Teilaufgabe 1

 

\[f(x) = \frac{x}{\ln x}\,; \quad D = \mathbb R^+ \, \backslash \, \{1\}\]

 

Lage des Extrempunkts

 

Notwendige Bedingung für die Extremstelle des Graphen von \(f\):

 

\[f'(x) \overset{!}{=} 0\]

 

Erste Ableitung \(f'(x)\) bilden:

\[f(x) = \frac{x}{\ln x}\]

 

\[f'(x) = \frac{1 \cdot \ln x - x \cdot \frac{1}{x}}{(\ln x)^2} = \frac{\ln x - 1}{(\ln x)^2}\]

 

\[\begin{align*}f'(x) \overset{!}{=} 0 \quad \Longrightarrow \quad \ln x - 1 &= 0 & &| + 1 \\[0.8em] \ln x &= 1 & &| \; \log_{a} a = 1 \\[0.8em] x &= e \end{align*}\]

 

\(\Longrightarrow \quad x_{E} = e\) ist Extremstelle von \(G_f\).

 

\[f(e) = \frac{e}{\ln e} = \frac{e}{1} = e\]

 

\(\Longrightarrow \quad (e|e)\) ist Extrempunkt von \(G_f\).

 

Art des Extrempunkts

 

1. Lösungsansatz: Vorzeichenwechsel von \(f'(x)\) (Monotonieverhalten von \(G_f\))

\[f'(x) = \frac{\ln x - 1}{\underbrace{(\ln x)^2}_{> \, 0}}\]

 

Der Zählerterm \(\ln x - 1\) bestimmt den Vorzeichenwechsel von \(f'(x)\) in der Umgebung der Extremstelle \(x_{E}\).

 

\[x_{E} = e\]

\[\left. \begin{align*} &f'(x) < 0 \enspace \text{für} \enspace x < e \\ &f'(e) = 0 \\ &f'(x) > 0 \enspace \text{für} \enspace x > e \end{align*} \right\} \enspace \Rightarrow \enspace \text{Tiefpunkt}, \; TiP \, (e|e)\]

 

2. Lösungsansatz: Art der Extrema mit Hilfe der zweiten Ableitung

Zweite Ableitung \(f''(x)\) bilden:

\[f'(x) = \frac{\ln x - 1}{(\ln x)^2}\]

 

\[\begin{align*} f''(x) &= \frac{(\frac{1}{x} - 0) \cdot (\ln x)^2 - (\ln x - 1) \cdot 2 \cdot \ln x \cdot \frac{1}{x}}{(\ln x)^4} & &| \; \frac{1}{x} \cdot \ln x \; \text{ausklammern} \\[0.8em] &= \frac{\frac{1}{x} \cdot \ln x \cdot(\ln x - 2\ln x + 2)}{(\ln x)^4} \\[0.8em] &= \frac{\frac{1}{x} \cdot (2 - \ln x)}{(\ln x)^3} \\[0.8em] &= \frac{2 - \ln x}{x \cdot (\ln x)^3} \end{align*}\]

 

\[x_{E} = e\]

\[f''(e) = \frac{2 - \ln e}{e \cdot (\ln e)^3} = \frac{2 - 1}{e \cdot 1^3} = \frac{1}{e}\]

\[\left. \begin{align*} &f'(e) = 0 \\ &f''(e) > 0 \end{align*} \right\} \enspace \Rightarrow \enspace \text{Tiefpunkt}, \; TiP\,(e|e)\]

 

Graph von \(f\) und Graph von \(f'\)