Die Ableitung an einer Stelle
Die Sekante beschreibt nur das Mittel. Lässt du \(Q\) auf \(P\) zuwandern, wird sie zur Tangente – deren Steigung ist die Ableitung.
- Fester Punkt:\(P(x_0\,|\,f(x_0))\); \(Q(x\,|\,f(x))\) wandert auf dem Graphen.
- Grenzlage:Die Sekante dreht sich in die Tangente in \(P\).
- \(f'(x_0)\):eine Zahl, die zu genau einer Stelle gehört: „Wie steil ist der Graph dort?“
- Kein Einsetzen:\(x=x_0\) ist verboten, sonst stünde unten null.
Ableitung an der Stelle \(x_0\): \(f'(x_0)=\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}\)
Für dieselbe Zahl gibt es mehrere Schreibweisen. Selbst schreiben musst du nur die erste.
- \(f'(x_0)\):„f Strich von \(x_0\)“ – Schreibweise nach Lagrange.
- \(\frac{\mathrm df}{\mathrm dx}(x_0)\):nach Leibniz, erinnert an \(\frac{\Delta y}{\Delta x}\).
- \(\dot s(t_0)\):Physik: Ableitung nach der Zeit, die Momentangeschwindigkeit.
- \(m_{\text{Tangente}}\):geometrisch die Steigung der Tangente in \(P\).
Hat der Graph einen Knick, gibt es dort keine eindeutige Tangente.
- Ableitbar:Der Grenzwert existiert – es gibt genau eine Tangente.
- Knick:Sekanten von links und rechts führen zu verschiedenen Grenzlagen – nicht ableitbar.
- Typisch:Betrag oder Tarife, die ab einer Menge anders rechnen; Potenz- und Polynomfunktionen sind überall ableitbar.
Annähern statt raten
Du rechnest Differenzenquotienten aus und rückst mit \(x\) immer dichter an \(x_0\) heran. Beispiel: \(f(x)=x^2\) bei \(x_0=1{,}5\), also \(f(1{,}5)=2{,}25\).
| Stelle x | 2,5 | 2 | 1,6 | 1,51 | 1,5001 | 1,50001 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Differenzenquotient | 4 | 3,5 | 3,1 | 3,01 | 3,0001 | 3,00001 |
- Festwert:\(f(x_0)\) einmal berechnen und festhalten.
- Nachbarstelle:\(x\) dicht bei \(x_0\) wählen und den Quotienten bilden.
- Ablesen:Die Werte laufen auf 3 zu, also \(f'(1{,}5)=3\).
- Beispiel:\(f(x)=x^3\), \(x=2{,}001\): \(\frac{8{,}012006001-8}{0{,}001}\approx12{,}006\), also \(f'(2)=12\).
Numerisch annähern: \(\dfrac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}\;\longrightarrow\;f'(x_0)\) für \(x\to x_0\)
Stelle \(x_0\) und den Abstand \(\Delta\) ein und beobachte, wie sich die Sekante auf die Tangente legt.
Immer näher an x₀
Die Funktion ist fest: \(f(x)=0{,}25x^{2}+1\). Wähle die Stelle \(x_0\) und den Abstand \(\Delta\) zur Nachbarstelle \(x=x_0+\Delta\).
Bei dieser Funktion landet der Quotient immer bei \(0{,}5\cdot x_0\).
Der schnelle Weg: nDeriv im GTR
Der Befehl nDeriv (numerical derivative) führt dieselbe Annäherung im Rechner aus. Er liefert sofort die Zahl.
- Term speichern:Menü Graph, \(Y_1=X^2\) eingeben.
- Befehl holen:ALPHA → F2 liefert nDeriv.
- Funktion einsetzen:ALPHA → F4 holt \(Y_1\); dann die Stelle eingeben und EXE.
- Dezimalpunkt:Der Rechner schreibt 1.5, im Heft schreibst du 1,5.
- Runden:Steht 2,999999999 da, schreibst du 3.
nDeriv: liefert einen Näherungswert für \(f'(x_0)\) – die Ableitbarkeit prüfst du selbst.
Wähle eine Funktion, stelle \(x_0\) ein und drücke EXE. Schätze vorher selbst.
GTR-Simulator: nDeriv
Der Rechner zeigt links den gespeicherten Term unter \(Y_1\) und darunter den Befehl. Erst nach EXE erscheint das Ergebnis.
Bei der zweiten Funktion ergeben \(x_0=0{,}5\), \(2\) und \(3{,}5\) nacheinander positiv, negativ, positiv. Dazwischen muss die Ableitung null sein.
Was die Zahl im Sachkontext bedeutet
In Anwendungen gehört zur Zahl ein Antwortsatz. Die Einheit ist Hochachse durch Rechtsachse.
- Einheit:\([f']=\frac{[y]}{[x]}\), z. B. \(\frac{\text{m}}{\text{min}}\), \(\frac{\text{m}^3}{\text{min}}\) oder \(\frac{\text{hPa}}{\text{m}}\).
- Beispiel:Tee: \(T'(10)=-1{,}8\,\frac{{}^\circ\text{C}}{\text{min}}\) – nach 10 min kühlt er um 1,8 °C pro Minute ab.
- \(f'(x_0)>0\):Die Größe nimmt zu.
- \(f'(x_0)<0\):Die Größe nimmt ab.
- \(f'(x_0)=0\):keine Änderung in diesem Moment, oft Hoch- oder Tiefpunkt.
- Betrag:Je größer \(|f'(x_0)|\), desto schneller die Änderung.
Einheit der Ableitung: \([f']=\dfrac{[y]}{[x]}\)
Von der Zahl zur Ableitungsfunktion
Wendest du das Verfahren an vielen Stellen an, erhältst du eine Wertetabelle. Hier für \(f(x)=-0{,}4x^{3}+3x^{2}-4{,}8x+4\).
| Stelle x₀ | 0 | 1 | 2 | 2,5 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ableitung f′(x₀) | −4,8 | 0 | 2,4 | 2,7 | 2,4 | 0 | −4,8 |
- Verlauf:fällt, bei \(x=1\) waagerecht, steigt, bei \(x=4\) waagerecht, fällt wieder.
- Ableitungsfunktion:ordnet jeder Stelle \(x\) die Zahl \(f'(x)\) zu.
- Zahl oder Funktion:\(f'(x_0)\) ist eine Zahl, \(f'\) eine Funktion mit eigenem Graphen.
- Punkte von \(f'\):\((0\,|\,-4{,}8)\), \((1\,|\,0)\), \((2\,|\,2{,}4)\) …
Ableitungsfunktion: \(f'\colon\; x\longmapsto f'(x)\)
Ziehe den Punkt langsam von links nach rechts über den Graphen von \(f\). Unten entsteht der Graph von \(f'\).
Tangenten-Wanderer
Ziehe den gelben Punkt mit der Maus, benutze den Schieberegler oder wähle den Punkt mit Tab aus und verschiebe ihn mit den Pfeiltasten ← und →.
Unten landet der Punkt bei \(x=1\) und \(x=4\) auf der Achse – dort hat \(f\) waagerechte Tangenten.
Allgemeine Hinweise
Wert oder Rate?
„Wie warm?“ fragt nach \(T(10)\), „wie schnell?“ nach \(T'(10)\). Lies genau, wonach gefragt ist.
Einheit nicht vergessen
„Die Ableitung beträgt 25,2“ ist keine Antwort. Schreibe die Einheit als Bruch dazu, z. B. \(\frac{\text{m}}{\text{min}}\).
Rechner prüft nicht
An einer Knickstelle gibt nDeriv trotzdem eine Zahl aus. Ob die Ableitung existiert, prüfst du selbst.
