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Differentialrechnung I

Allgemein

Differenzenquotient

\[\frac{\Delta y}{\Delta x}=\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}\]

Differenzialquotient / Ableitung y'

Die Ableitung \(y'\) hat den folgenden (Grenz-)Wert:

\[\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\Delta y}{\Delta x}=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}\]

Leibnizschreibweise

Oft schreibt man für \(y'\) auch:

\[y'=\frac{dy}{dx}\]

y'-Bestimmungen

\(y=3x^2\):

\[\begin{align} y'&=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{3(x+\Delta x)^2-3x^2}{\Delta x}\\[11pt] &=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\cancel{3x^2}+6x\cancel{\Delta x}+3\Delta x^{\cancel{2}}\cancel{-3x^2}}{\cancel{\Delta x}}\\[11pt] &=\lim_{\Delta x\to 0}6x+3\Delta x\\[11pt] &=6x \end{align}\]

\(y=\sqrt{x}\):

\[\begin{align} y'&=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\sqrt{x+\Delta x}-\sqrt{x}}{\Delta x}\cdot\frac{\sqrt{x+\Delta x}+\sqrt{x}}{\sqrt{x+\Delta x}+\sqrt{x}}\\[11pt] &=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\cancel{\Delta x}}{\cancel{\Delta x}(\sqrt{x+\Delta x}+\sqrt{x})}\\[11pt] &=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{1}{\sqrt{x+\Delta x}+\sqrt{x}}\\[11pt] &=\frac{1}{2\sqrt{x}} \end{align}\]

\(y=\sin(x)\) (Voraussetzungen siehe Kapitel "Neue Grenzwerte" in Repetition Funktionen und Ergänzungen):

\[\begin{align} y'&=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\sin(x+\Delta x)-\sin(x)}{\Delta x}\\[11pt] &=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\sin(x)\cos(\Delta x)+\cos(x)\sin(\Delta x)-\sin(x)}{\Delta x}\\[11pt] &=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\cos(x)\sin(\Delta x)}{\Delta x}+\frac{\sin(x)(\cos(\Delta x)-1)}{\Delta x}\\[11pt] &=\cos(x) \end{align}\]

\(y=\cos(x)\):

\[\begin{align} y'&=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\cos(x+\Delta x)-\cos(x)}{\Delta x}\\[11pt] &=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\cos(x)\cos(\Delta x)-\sin(x)\sin(\Delta x)-\cos(x)}{\Delta x}\\[11pt] &=\lim_{\Delta x\to 0}-\frac{\sin(x)\sin(\Delta x)}{\Delta x}+\frac{\cos(x)(\cos(\Delta x)-1)}{\Delta x}\\[11pt] &=-\sin(x) \end{align}\]

\(y=\ln(x)\):

\[\begin{align} y'&=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\ln(x+\Delta x)-\ln(x)}{\Delta x}\\[11pt] &=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{1}{\Delta x}\ln\left(\frac{x+\Delta x}{x}\right)\\[11pt] &=\lim_{\Delta x\to 0}\ln\left[\left(\frac{x+\Delta x}{x}\right)^{\frac{1}{\Delta x}}\right]\;\;\left(\textrm{Substitution:}\;n=\frac{x}{\Delta x}\right)\\[11pt] &=\lim_{n\to\infty}\ln\left[\left(\left(\frac{x+\Delta x}{x}\right)^n\right)^{\frac{1}{x}}\right]\\[11pt] &=\frac{1}{x}\ln(e)\\[11pt] &=\frac{1}{x} \end{align}\]

\(y=e^x\) bzw. \(ln(y)=x\):

\[\begin{align} \lim_{\Delta y\to 0}\frac{\Delta x}{\Delta y}&=\frac{1}{y}\\[11pt] \lim_{\Delta x\to 0}\frac{1}{\frac{\Delta y}{\Delta x}}&=\frac{1}{\lim_{\Delta x\to 0}{\frac{\Delta y}{\Delta x}}}=\frac{1}{y'}\\[11pt] &\Downarrow\\[11pt] y&=y' \end{align}\]

Erste Regeln beim Ableiten

I. Potenzregel (Beweis in Differentialrechnung II)

\[y=x^n\;\textrm{hat}\;y'=nx^{n-1}\]

II. Faktor- und Konstanten-Regel

\[\begin{align} (ky+C)'&=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{[kf(x+\Delta x)+C]-[kf(x)+C]}{\Delta x}\\[11pt] &=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{k[f(x+\Delta x)-f(x)]}{\Delta x}\\[11pt] &=k\cdot\lim_{\Delta x\to 0}\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}\\[11pt] &=k\cdot y' \end{align}\]

III. Differenzen- und Summen-Regel

\[\begin{align} (f(x)\pm q(x))'&=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{[f(x+\Delta x)\pm q(x+\Delta x)]-[f(x)\pm q(x)]}{\Delta x}\\[11pt] &=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}\pm\lim_{\Delta x\to 0}\frac{q(x+\Delta x)-q(x)}{\Delta x}\\[11pt] &=f'(x)\pm q'(x) \end{align}\]

IV. Noch keine Regeln für Verkettungen, Quotienten, Produkte

Tangente an Stelle S der Funktion f(x)

  1. \(m\) ist \(f(2)'\)
  2. \(q\) mit berechnetem \(m\) und dem Punkt \(S\) für \(t:\;y=mx+q\) berechnen

Scheitelpunkt einer Parabel

\[(f'(x_0)=0|f(x_0))\]

Schnittwinkel zweier Funktionen

\[\tan(\alpha)=\left|\frac{y_2'-y_1'}{1+y_1'y_2'}\right|\]

Tangente t durch P an Funktion f(x)

\(m\) der Tangente und Schnittpunkt bei \(x_0\) mit folgenden 2 Gleichungen berechnen:

  1. \[t(x_0)=f(x_0)\]
  2. \[m=f'(x_0)\]

Last update: June 24, 2021