Worum geht es?
Die Ableitung ist die Steigung der Tangente an den Graphen von an der Stelle . Man erhält sie als Grenzwert der Sekantensteigungen (Differenzenquotient):
Beispiel an der Stelle mit : rechtsseitig , linksseitig , beidseitig . Für nähern sich alle dem Wert . Stimmen der links- und der rechtsseitige Grenzwert nicht überein, hat der Graph einen Knick und ist dort nicht differenzierbar (z. B. bei : links , rechts ).
Ordnet man jeder Stelle die Steigung zu, entsteht die Ableitungsfunktion . Ihren Graphen kann man skizzieren, ohne zu rechnen:
- Wo steigt, ist ; wo fällt, ist . Je steiler , desto weiter ist von der -Achse entfernt.
- Eine waagrechte Tangente von ist eine Nullstelle von . Mit Vorzeichenwechsel ( Hochpunkt, Tiefpunkt) liegt eine Extremstelle vor, ohne Vorzeichenwechsel ein Terrassenpunkt (Sattelpunkt).
- Wo am steilsten steigt oder fällt (Wendestelle), hat ein Extremum. Dort wechselt das Vorzeichen: heißt linksgekrümmt, rechtsgekrümmt.
Die Ableitungsregeln lassen sich am Bild begründen: Faktorregel (alle Höhen und damit alle Steigungen werden -mal so groß), Summenregel (die Zuwächse addieren sich), Potenzregel , Produktregel (Zuwachs einer Rechteckfläche) und Kettenregel .
Im Alltag ist eine Änderungsrate: Weg → Geschwindigkeit → Beschleunigung, Wassermenge → Zufluss, Kosten → Grenzkosten, Höhenprofil → Steigung ().
Ausprobieren
- Tangente läuft: Drücke „P durchlaufen lassen“. Vergleiche die senkrechte Seite des Steigungsdreiecks (bei ) mit dem senkrechten Balken im Bild von : Er ist genau hoch.
- Mit zweiter Ableitung: Die kleine Tangente an hat die Steigung . Wo ist null?
- Parabel, Sinus, e-Funktion und ln x: Welche bekannte Funktion entsteht jeweils unten?
- Sekante → Tangente: Drücke „h gegen 0 gehen lassen“. Wie verändert sich der Punkt im Diagramm des Differenzenquotienten? Stelle auch „links“ und „beidseitig“ ein.
- Knick bei |x|: Warum treffen sich die beiden Äste im unteren Bild bei nicht?
- Merkmale: Drücke „Merkmale Schritt für Schritt“ und folge den Hilfslinien durch alle drei Bilder. Sattelpunkt von x³: Was ist anders?
- Regeln: Faktorregel, Summenregel, Potenzregel, Produktregel, Kettenregel. Verkleinere bei der Produktregel: Was passiert mit dem kleinen Eckstück ?
- Alltag: Auto, 100-m-Lauf, Fahrstuhl, Hochwurf, Temperatur, Epidemie, Kosten, Wanderung, Badewanne. Was bedeuten Hochpunkt, Nullstelle von und Wendepunkt jeweils?
Aufgaben
Aufgabe 1: Merkmale von x³ − 3x
Bestimme für zuerst grafisch, dann rechnerisch , die Extrem- und die Wendestellen. Aufgabe laden
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, also . für : bei wechselt von nach (Hochpunkt ), bei von nach (Tiefpunkt ). ist bei null und wechselt das Vorzeichen: Wendepunkt . Lösung zeigen
Aufgabe 2: Differenzenquotient
Berechne für an der Stelle mit den rechts-, links- und beidseitigen Differenzenquotienten. Welcher liegt am nächsten an ? Aufgabe laden
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Rechts , links , beidseitig . Der beidseitige Quotient trifft hier sogar genau (bei Parabeln immer); die einseitigen weichen um genau ab. Lösung zeigen
Aufgabe 3: Skizziere f′
Skizziere den Graphen der Ableitung von : Zieh die sieben Punkte im unteren Bild und drücke dann „Lösung aufdecken“. Aufgabe laden
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steigt, fällt zwischen den Extremstellen und steigt wieder. Also ist eine nach oben geöffnete Parabel mit Nullstellen bei und Tiefpunkt bei (Wendestelle von ): , z. B. . Lösung zeigen
Aufgabe 4: Auto
Ein Auto legt in Sekunden den Weg (in m) zurück (). Wie schnell ist es nach s? Wann fährt es am schnellsten, und wie groß ist die Beschleunigung beim Start? Aufgabe laden
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, also . ist bei null: Dort ist maximal, , und hat einen Wendepunkt. Beim Start gilt . Lösung zeigen
Aufgabe 5: Regeln anwenden
a) Leite ab und berechne . b) Berechne mit der Produktregel für und . Aufgabe laden
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a) Faktor-, Summen- und Potenzregel: , . b) , , , , also : . Zeigen
Aufgabe 6: Wahr oder falsch?
„Hat an der Stelle einen Hochpunkt, so hat auch dort einen Hochpunkt.“
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Falsch. Ein Hochpunkt von bedeutet: steigt dort am stärksten – hat bei eine Wendestelle. Beispiel Epidemie: Die meisten neuen Fälle pro Tag ( maximal, nach etwa Tagen) liegen am Wendepunkt der Fallzahl . Beispiel
Ideen für den Unterricht
- Einsatz: Oberstufe, Einführung der Differentialrechnung: Sekanten- und Tangentensteigung, Ableitungsfunktion, Monotonie, Extrem- und Wendestellen; später Ableitung von Sinus und Kosinus grafisch plausibel machen sowie Produkt- und Kettenregel. Wann Faktor-, Summen- und Potenzregel eingeführt werden, unterscheidet sich je nach Lehrplan. Die Ansichten passen als Abfolge: Sekante → Tangente, Tangente läuft, Merkmale, eigene Skizze, Regeln.
- Vorhersagen: Mit „Terme und Werte zeigen“ aus skizzieren die Lernenden zuerst auf Papier, dann prüfen sie mit der Spur oder im Aufgabenmodus „f′ skizzieren“, der für jeden Punkt rückmeldet, ob er passt.
- Differenzierbarkeit: Das Diagramm „Differenzenquotient über h“ zeigt Grenzwerte als Bild: Bei glatten Funktionen laufen linker und rechter Ast auf denselben Punkt zu, bei nicht.
- Alltagsbezug: Neun Beispiele mit Einheiten (m/s, m/s², L/min, GE/ME, m/km und Prozent) – gut für die Deutung von Hochpunkten, Nullstellen von und Wendepunkten im Sachzusammenhang.
- Häufige Stolpersteine:
- Hochpunkt von und Hochpunkt von werden verwechselt.
- Der Funktionswert wird mit der Steigung verwechselt („ ist negativ, also fällt “).
- Eine Nullstelle von ohne Vorzeichenwechsel wird als Extremstelle gedeutet.
- Wendestellen werden übersehen, weil dort am Graphen „nichts Besonderes“ zu sehen ist.