Von der Sekante zur Tangente
Der Tacho zeigt kein Mittel, sondern das Tempo genau jetzt. Diese Zahl erhältst du, indem du den zweiten Punkt immer dichter heranschiebst.
- Fester Punkt:\(P(x_0\mid f(x_0))\) an der Stelle \(x_0\).
- Beweglicher Punkt:\(Q(x\mid f(x))\) mit \(x\neq x_0\).
- Sekantensteigung:\(\dfrac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}\).
- Problem:Bei \(x=x_0\) entsteht \(\frac{0}{0}\) – das ist keine Zahl.
- Annähern:Rückt \(Q\) auf \(P\) zu, legen sich die Sekanten an eine feste Gerade an.
- Tangente:Gerade, die den Graphen in \(P\) berührt (lat. tangere = berühren).
Schiebe \(Q\) mit dem Regler, der Maus oder den Tasten ← und → an \(P\) heran.
Sekante wird Tangente
Gezeichnet ist \(f(x)=4x-0{,}5x^2\). Die violette Sekante geht durch \(P\) und \(Q\), die grüne Tangente berührt den Graphen nur in \(P\). Das Readout rechnet den Differenzenquotienten bei jeder Änderung neu.
Beim Abstand 0,01 ist die Sekante von der Tangente kaum noch zu unterscheiden. Null wird der Abstand nie.
Die lokale Änderungsrate als Grenzwert
Man schreibt \(x\to x_0\) („\(x\) strebt gegen \(x_0\)“). Den Wert, auf den der Differenzenquotient zuläuft, nennt man Grenzwert (\(\lim\), lat. limes).
- Ableitung:\(f'(x_0)\), gesprochen „f Strich von \(x_0\)“.
- Tangentensteigung:Steigung der Tangente in \(P\): \(m=f'(x_0)\).
- Steigung des Graphen:wie steil es an der Stelle \(x_0\) bergauf oder bergab geht.
- Momentane Änderungsrate:Deutung im Sachzusammenhang, z. B. Momentangeschwindigkeit.
- Eine Stelle:Die Rate gehört zu genau einer Stelle \(x_0\), nicht zu einem Intervall.
Lokale Änderungsrate: \(f'(x_0)=\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}\)
Den Grenzwert numerisch einkreisen
Setze für \(x\) Stellen immer dichter bei \(x_0\) ein. Ändern sich die vorderen Ziffern nicht mehr, hast du den Grenzwert.
| Stelle | x = 2,1 | x = 2,01 | x = 2,001 | x = 2,00001 |
|---|---|---|---|---|
| Differenzenquotient | 4,1 | 4,01 | 4,001 | 4,00001 |
- Muster:Die Werte laufen auf 4 zu, also \(f'(2)=4\).
- Notation:meist eine grobe und eine feine Näherung, z. B. mit \(x=2{,}01\) und \(x=2{,}00001\).
- Beispiel:Fahrzeug mit \(f(t)=t^2\) (\(t\) in s, \(f\) in m): \(f'(2)=4\), \(f'(5)=10\), \(f'(8)=16\) in \(\frac{\text{m}}{\text{s}}\).
- Nicht verwechseln:Im Schnitt über 8 s sind es nur \(\frac{64}{8}=8\,\frac{\text{m}}{\text{s}}\) – am Ende doppelt so viel.
- Warum es klappt:Stark vergrößert sieht ein glatter Graph fast wie eine Gerade aus.
Vergrößere den Ausschnitt um \(t_0=6\) mit dem Regler, der Maus oder den Tasten ← und →.
Die Lupe: warum Einsetzen funktioniert
Ein Regenrückhaltebecken füllt sich nach \(V(t)=0{,}5t^2+2t\) mit \(t\) in min und \(V\) in m³. Betrachtet wird die Stelle \(t_0=6\) mit \(V(6)=30\). Die grüne Gerade ist die Tangente in diesem Punkt.
Ab der dritten Zoomstufe fallen Graph und Tangente zusammen. Der Differenzenquotient nähert sich \(V'(6)=8\,\tfrac{\text{m}^3}{\text{min}}\).
Lage oder Steigung?
Nico meint: „Bei \(t=3{,}5\) liegt der Graph höher als bei \(t=1\), also ist dort auch die Rate größer.“ Das ist falsch.
- Lage:Der Funktionswert \(f(t)\) sagt, wo du bist.
- Steigung:Die Rate \(f'(t)\) sagt, wie schnell es weitergeht.
- Im Bild:Bei \(t=1\) ist die Tangente steiler als bei \(t=3{,}5\), obwohl der Graph dort tiefer liegt.
- Vergleich:Ein Auto bei Kilometer 300 fährt nicht automatisch schneller als bei Kilometer 100.
Lage und Steigung: Aus \(f(x_1)<f(x_2)\) folgt nicht \(f'(x_1)<f'(x_2)\).
Verschiebe die Stellen \(A\) und \(B\) mit der Maus oder den Pfeiltasten und vergleiche Höhe und Steigung.
In der Voreinstellung liegt \(B\) fünfmal so hoch wie \(A\) – und hat trotzdem die kleinere Rate.
Was die Zahl aussagt
Die lokale Änderungsrate hat eine Einheit und ein Vorzeichen. Beide gehören zur Deutung.
- Einheit:\([f'(x_0)]=\frac{[y]}{[x]}\), z. B. \(\frac{\text{m}^3}{\text{h}}\) beim Speicherbecken.
- \(f'(x_0)>0\):Der Graph steigt, die Größe nimmt gerade zu.
- \(f'(x_0)=0\):waagerechte Tangente, typisch an Hoch- und Tiefpunkten.
- \(f'(x_0)<0\):Der Graph fällt, die Größe nimmt gerade ab.
- Betrag:sagt, wie schnell sich die Größe ändert.
- Antwortsatz:Stelle, Zahlenwert, Einheit und Sachzusammenhang, z. B. „Nach 3 min steigt der Ballon mit \(25{,}2\,\frac{\text{m}}{\text{min}}\).“
Vorzeichen: \(f'(x_0)>0\) steigend, \(f'(x_0)=0\) waagerecht, \(f'(x_0)<0\) fallend
Allgemeine Hinweise
Nicht einsetzen
\(\lim\limits_{x\to x_0}\) heißt nicht „setze \(x=x_0\) ein“. Es beschreibt eine Annäherung, denn im Nenner stünde sonst null.
Höhe ist nicht Steigung
Ein hoch liegender Graph kann flach sein. Für die Rate schaust du auf die Neigung, nicht auf die Höhe.
GTR nutzen
Der Befehl nDeriv berechnet die Näherung direkt. Er erwartet Funktion, Variable und Stelle.
