Die Aufgabe: Tangentensteigung in \(P(0{,}5 \mid 0{,}25)\)
Für \(f(x)=x^2\) soll die Ableitung an der Stelle 0,5 möglichst genau bestimmt werden – ohne Rechner, nur mit dem Differenzenquotienten.
- Punkt:\(f(0{,}5)=0{,}5^2=0{,}25\), also \(P(0{,}5 \mid 0{,}25)\).
- Gesucht:die Steigung der Tangente in \(P\).
- Ablesen reicht nicht:Schon eine leicht schiefe Gerade ändert die Steigung deutlich.
Sekante statt Tangente: die erste Näherung
Statt der Tangente berechnest du eine Sekante durch \(P\) und einen nahen Punkt \(Q(x \mid f(x))\). Ihre Steigung ist eine gute Näherung.
- Sekantensteigung:\(m=\dfrac{f(x)-f(0{,}5)}{x-0{,}5}\).
- Beispiel:\(x=0{,}51\): \(m=\frac{0{,}2601-0{,}25}{0{,}01}=\frac{0{,}0101}{0{,}01}=1{,}01\).
- Näher heran:Je dichter \(Q\) an \(P\) liegt, desto weniger unterscheiden sich Sekante und Tangente.
Verschiebe \(Q\) auf dem Graphen; \(P\) bleibt fest. Vergleiche die Sekante mit der gestrichelten Tangente.
Q wandert auf P zu
Zieh \(Q\) mit der Maus, benutze den Schieberegler oder wähle eine der Stellen aus der Tabelle. Mit den Pfeiltasten bewegst du \(Q\) in kleinen Schritten.
Bei \(x=0{,}51\) liegen beide Geraden fast aufeinander, die Steigungen unterscheiden sich aber noch um 0,01.
Von rechts und von links
Du rückst \(Q\) immer dichter an \(P\) heran – erst von rechts, dann von links.
Schritt für Schritt an die 1 heran
Erzeuge die Werte selbst: Jeder Schritt rückt \(x\) um eine Dezimalstelle näher an 0,5 heran. Die Skala ist pro Schritt zehnfach vergrößert, damit die Punkte sichtbar bleiben.
| \(x\) | 0,51 | 0,501 | 0,5001 | 0,50001 | 0,500001 |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\dfrac{f(x)-f(0{,}5)}{x-0{,}5}\) | 1,01 | 1,001 | 1,0001 | 1,00001 | 1,000001 |
| \(x\) | 0,49 | 0,499 | 0,4999 | 0,49999 | 0,499999 |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\dfrac{f(x)-f(0{,}5)}{x-0{,}5}\) | 0,99 | 0,999 | 0,9999 | 0,99999 | 0,999999 |
- Von rechts:Die Werte laufen von oben auf 1 zu.
- Von links:Die Werte laufen von unten auf 1 zu.
- Nie erreicht:Bei \(x=0{,}5\) wäre der Nenner null.
Das Ergebnis: \(f'(0{,}5)=1\)
Von beiden Seiten ist der Grenzwert 1. Die Tangente in \(P\) hat also die Steigung 1.
Ergebnis: \(f'(0{,}5)=\lim\limits_{x\to 0{,}5}\dfrac{f(x)-f(0{,}5)}{x-0{,}5}=1\)
- Probe am Bild:0,2 nach rechts, 0,2 nach oben: \(\frac{0{,}2}{0{,}2}=1\).
Allgemeine Hinweise
Beide Seiten prüfen
Ein Grenzwert existiert nur, wenn rechts und links derselbe Wert herauskommt. Hier schließen 1,000001 und 0,999999 die 1 ein.
Nicht einsetzen
\(x=0{,}5\) darfst du nicht einsetzen, sonst steht unten null. Rechne mit Stellen in der Nähe.
Nicht zu früh runden
Rechne die Funktionswerte exakt, z. B. \(0{,}51^2=0{,}2601\). Gerundete Werte verfälschen den Quotienten stark.
