Zuerst muss natürlich mal der Wendepunkt berechnet werden:

$\text{f(x)}=$ $x^3-3x^2-x+7$

Als erstes leitet man die Funktion drei mal ab.

$\text{f'(x)}=$ $3x^2-6x-1+0$

= $3x^2-6x-1$

$\text{f''(x)}=$ $6x-6+0$

= $6x-6$

$\text{f'''(x)}=$ $6+0$

= $6$

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

(Wendestellen sind Extremstellen in der Ableitung, also haben Wendepunkten die Steigung 0 in f').

Man setzt nun also die zweite Ableitung gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Wendepunkte zu bestimmen.

$6x-6$	=	0	| $+6$
$6x$	=	$6$	|:$6$
$x$	=	$1$

Die Lösung x= $1$ ist nun der einzige Kandidat für eine Wendestelle.

Die einfachste Möglichkeit, um diese Kandidaten zu überprüfen, ist das Einsetzen dieser x-Werte in die dritte Ableitung.

Ist die dritte Ableitung des Punktes ungleich 0, so handelt es sich um einen Wendepunkt (hinreichende Bedingung: f''(x₀)=0 und f'''(x₀)≠0).

Überprüfung bei x = $1$:

f'''($1$) = $6+0$= $6$

Da f'''($1$)≠0, haben wir bei x = $1$ einen Wendepunkt.
Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzen werden.
f($1$) = $1^3-3\cdot 1^2-1+7$ = $4$
Man erhält so den Wendepunkt: WP($1$| $4$)

Jetzt müssen wir die Tangente im Wendepunkt anlegen:

Um die Steigung der Tangente zu erhalten, setzen wir den gegebenen x-Wert in die Ableitung ein:

$m_t\mathrm{=\; f\text{'}(1)}=$ $3\cdot 1^2-6\cdot 1-1$

= $3\cdot 1-6-1$

= $3-6-1$

= $-4$

Damit wissen wir nun schon, dass die Tangente die Gleichung t: y= $-4$x+c besitzt.

Um noch das c zu bestimmen, brauchen wir einen Punkt, den wir in die Gleichung einsetzen können.
Dazu müssen wir noch den y-Wert des Berührpunkts bestimmen, also $\text{f(1)}=$ $1^3-3\cdot 1^2-1+7$ = $1-3\cdot 1-1+7$ = $1-3-1+7$ = $4$

Wir erhalten so also den Punkt B(1| $4$) als Berührpunkt.

Nun setzt man die errechnete Ableitung und die errechneten Punktkoordinaten in eine allgemeine Geradengleichung (y=mx+c) ein:

$4$ = $-4$⋅1 + c

$4$ = $-4$ + c | + $4$

$8$ = c

also c= $8$

Damit erhält man als Geradengleichung für die Tangente: y= $-4$⋅x + $8$

Jetzt brauchen wir noch die Schnittpunkte der Wendetangente mit der x- und der y-Achse:

Der Schnittpunkt mit der y-Achse kennen wir bereits, das ist ja der y-Achsenabschnitt c = 8.

Der Schnittpunkt mit der x-Achse können wir berechnen, in dem wir in die Tangentengleichung y = 0 einsetzen:

$-4x+8$	=	0	| $-8$
$-4x$	=	$-8$	|:($-4$)
$x$	=	$2$

Die Wendetangente schneidet somit die x-Achse in N( $2$|0).

Da die gesuchte Fläche ja ein rechtwinkliges Dreieck mit den Katheten 8 und $2$ ist, gilt für den Flächeninhalt:

A = $\frac{1}{2}$ $2$ ⋅ 8 = $8$.

1. y-Wert bei x = 4

   Hier müssen wir einfach die 4 in den Funktionsterm einsetzen:

   f(4) = $-\frac{2}{3}\cdot 4^2+4\cdot 4+3$ = $-\frac{32}{3}+16+3$ = $\frac{25}{3}$ ≈ 8.33 .

   Nach 4 s beträgt also der Wert 8.33 m/s.

2. x-Wert bei y = $\frac{19}{3}$

   Wir suchen hierfür die x-Stellen, an denen der Funktionsterm den Wert $\frac{19}{3}$ einnimmt:

   $-\frac{2}{3}{x}^2+4x+3$	=	$\frac{19}{3}$	|⋅ 3
   $3\left(-\frac{2}{3}{x}^2+4x+3\right)$	=	$19$
   $-2x^2+12x+9$	=	$19$	| $-19$

   $-2x^2+12x-10$ = 0 |:2

   $-x^2+6x-5$ = 0

   Lösen mit der a-b-c-Formel (Mitternachtsformel):

   eingesetzt in x_1,2 = $\frac{-b\pm \sqrt{b^2-4a·c}}{2a}$ ergibt:

   x_1,2 = $\frac{-6\pm \sqrt{6^2-4·\left(-1\right)·\left(-5\right)}}{2\cdot \left(-1\right)}$

   x_1,2 = $\frac{-6\pm \sqrt{36-20}}{-2}$

   x_1,2 = $\frac{-6\pm \sqrt{16}}{-2}$

   x₁ = $\frac{-6+\sqrt{16}}{-2}$ = $\frac{\mathrm{<math\; xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mrow><mo>-</mo><mn>6</mn></mrow>\; </math>\; <mo>+</mo><math\; xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mrow><mn>4</mn></mrow></math>}}{\mathrm{<math\; xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">\; <mrow><mrow><mo>-</mo><mn>2</mn></mrow>\; </mrow>\; </math>}}$ = $\frac{-2}{-2}$ = $1$

   x₂ = $\frac{-6-\sqrt{16}}{-2}$ = $\frac{\mathrm{<math\; xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mrow><mo>-</mo><mn>6</mn></mrow>\; </math>\; <mo>-</mo><math\; xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mrow><mn>4</mn></mrow></math>}}{\mathrm{<math\; xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">\; <mrow><mrow><mo>-</mo><mn>2</mn></mrow>\; </mrow>\; </math>}}$ = $\frac{-10}{-2}$ = $5$

   Lösen mit der p-q-Formel (x² + px + q = 0):

   Um die Gleichung auf die Form "x² + px + q = 0" zu bekommen, müssen wir zuerst die ganze Gleichung durch "$-1$" teilen:

   $-x^2+6x-5$ = 0 |: $-1$

   $x^2-6x+5$ = 0

   vor dem Einsetzen in x_1,2 = $-\frac{p}{2}$ ± $\sqrt{{\left(\frac{p}{2}\right)}^2-q}$
   berechnen wir zuerst die Diskriminante D = ${\left(\frac{p}{2}\right)}^2-q$:

   D = ${\left(-3\right)}^2-5$ = $9$ $-$ $5$ = $4$

   x_1,2 = $3$ ± $\sqrt{4}$

   x₁ = $3$ - $2$ = 1

   x₂ = $3$ + $2$ = 5

   .

   Der erste Wert mit y = $\frac{19}{3}$ m/s ist also bei x = 1 s.

3. x-Wert des Maximums (HP)

   Gesucht ist die Stelle mit dem höchsten Funktionswert, also der x-Wert des Hochpunkts.

   Detail-Rechnung für den Hochpunkt ($3$| $9$) einblenden

   $\text{f(x)}=$ $-\frac{2}{3}{x}^2+4x+3$

   Als erstes leitet man die Funktion zwei mal ab.

   =>$\text{f'(x)}=$ $-\frac{4}{3}x+4+0$

   = $-\frac{4}{3}x+4$

   $\text{f''(x)}=$ $-\frac{4}{3}+0$

   = $-\frac{4}{3}$

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

   (Alle Extrempunkte haben die Steigung 0).

   Man setzt nun also f'(x) gleich 0, um die einzig möglichen x-Werte für Extrempunkte von f zu bestimmen.

   $-\frac{4}{3}x+4$	=	0	|⋅ 3
   $3\left(-\frac{4}{3}x+4\right)$	=	0
   $-4x+12$	=	0	| $-12$
   $-4x$	=	$-12$	|:($-4$)
   $x$	=	$3$

   Die Lösung x= $3$ ist nun der einzige Kandidat für eine Extremstelle.

   Die einfachste Möglichkeit, um diese Kandidaten zu überprüfen, ist das Einsetzen dieser x-Werte in f''(x):

   Ist f''(x) < 0, so handelt es sich um einen Hochpunkt (hinreichende Bedingung: f'(x₀)=0 und f''(x₀)<0).
   Ist sie größer 0 handelt es sich um einen Tiefpunkt (hinreichende Bedingung: f'(x₀)=0 und f''(x₀)>0).

   f''($3$) = $-\frac{4}{3}$= $-\frac{4}{3}$= $-\frac{4}{3}$ <0

   Das heißt bei x = $3$ ist ein Hochpunkt.
   Um dessen y-Wert zu erhalten muss der entsprechende x-Wert in f(x) eingesetzt werden.
   f($3$) = $-\frac{2}{3}\cdot 3^2+4\cdot 3+3$ = $9$
   Man erhält so den Hochpunkt H:($3$| $9$)

   Der einzige Hochpunkt im gegebenen Bereich liegt also bei $3$.

   Der Vollständigkeit wegen müssen wir noch die Randwerte untersuchen, an denen ja ein noch größerer Funktionswert auftreten könnte:

   f(0) = 3 und f(6) = 3 sind aber beide nicht größer als der y-Wert des Hochpunkt.

   Der größte Wert wird also nach $3$ s erreicht.