Worum geht es?
Viele Funktionen lassen sich in der Nähe einer Stelle gut durch Polynome annähern. Das Taylorpolynom -ten Grades
hat bei denselben Funktionswert und dieselben ersten Ableitungen wie . ist die waagerechte Gerade , die Tangente, die „Schmiegparabel“ mit derselben Krümmung. Die Ansicht Ableitungen anpassen zeigt das als Liste mit Häkchen: Wert ✓, Steigung ✓, Krümmung ✓ …
Woher kommen die Koeffizienten? Leitet man -mal ab, entsteht . Damit gilt, muss sein. Beispiele um :
, , , (geometrische Reihe), . Bei um sind alle geraden Ableitungen . Deshalb ist – ein neuer Grad bringt dort keinen neuen Summanden.
Wie gut ist die Näherung? Der Fehler ist nahe bei winzig und wächst mit dem Abstand. Für sin, cos und gibt die Lagrange-Abschätzung die Schranke , wobei eine Schranke für zwischen und ist ( bei sin und cos, bei ). Ist , darf man sogar mit rechnen.
Konvergenzradius: Bei sin, cos und wird die Näherung mit wachsendem überall besser. Bei und nur im Konvergenzintervall ; ist der Abstand von zur Definitionslücke bzw. zur Polstelle . Außerhalb „explodieren“ die Polynome, und der Fehler wächst mit .
Ausprobieren
- sin x um 0: Drücke mehrmals „Grad erhöhen“. Warum ändert sich bei jedem zweiten Schritt nichts? Die Hinweiskarte erklärt es.
- Summand für Summand: Erhöhe den Grad bis 7 und beobachte den gestrichelten neuen Summanden. Welche Zeilen der Tabelle sind 0?
- Ableitungen anpassen: Welche Häkchen sind grün, welches rot? Tippe die Zeilen an und vergleiche mit . Wie sieht aus?
- Sonderfall n = 0: Warum ist waagerecht? Ziehe danach die Entwicklungsstelle. Im ε-Schlauch bei eˣ: Lass „Alle Grade durchlaufen“. Warum ist der Bereich nicht symmetrisch um ?
- Konvergenzradius bei ln(1 + x): Drücke „Alle Grade durchlaufen“. Was passiert rechts von ? Schiebe die Prüfstelle auf und vergleiche das Fehlerdiagramm. Wie groß ist der Radius mit a nahe −1?
- Taschenrechner: Wie viele Stellen von stimmen nach jedem Summanden? Vergleiche mit sin 0,5 und 1/(1 − x) an x = 1.
- Pendel: Ziehe den Punkt. Bis zu welchem Winkel ist der Bogen fast so lang wie die Auslenkung ?
Aufgaben
Aufgabe 1: e berechnen
Aufgabe ladenBerechne für und . Wie groß ist der Fehler, und was sagt die Lagrange-Abschätzung? Wie viele Summanden braucht man für 6 richtige Nachkommastellen?
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; Fehler . Lagrange mit : – die Schranke stimmt, ist aber gut doppelt so groß. Für 6 Stellen muss sein: Bei ist der Fehler noch , bei nur . Also Grad , das sind Summanden, mit . Lösung zeigen
Aufgabe 2: sin 0,5 näherungsweise
Aufgabe ladenBestimme von um , berechne näherungsweise und schätze den Fehler mit Lagrange ab.
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, , , , also und ; genau ist . Lagrange: . Weil ist, gilt sogar – der wahre Fehler ist . Lösung zeigen
Aufgabe 3: Koeffizienten aus der Tabelle
Aufgabe ladenStelle von um auf, indem du die Tabelle | | | selbst ausfüllst.
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Ableitungen , bei also . Koeffizienten , also . Lösung zeigen
Aufgabe 4: Kleinwinkelnäherung
Aufgabe ladenFür welche Winkel weicht um weniger als von ab? Schätze mit dem nächsten Summanden und gib das Ergebnis auch in Grad an.
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Schätzung: . Genau gilt für , also bis etwa . Verlangt man einen relativen Fehler unter , reicht es nur bis etwa . Lösung zeigen
Aufgabe 5: ln 2 aus der Reihe
Aufgabe ladenBerechne für um und vergleiche mit . Was passiert bei ?
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, aber . Die Partialsummen pendeln langsam um – ist der Randpunkt des Konvergenzintervalls . Bei ist : Die Polynome divergieren. Lösung zeigen
Aufgabe 6: Geometrische Reihe (Knobelaufgabe)
Begründe, dass alle Koeffizienten von um gleich sind. Für welche konvergiert die Reihe? Was passiert bei und ? Zeigen
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, also und . Die Reihe konvergiert für . Bei wachsen die Partialsummen über alle Grenzen, bei springen sie und haben keinen Grenzwert. Lösung zeigen
Ideen für den Unterricht
- Einsatz: Vertiefung in der Oberstufe (z. B. Seminar, Begabtenförderung) und Analysis im ersten Studienjahr. Der Lehrplanbezug ist je nach Land und Kurs verschieden – bitte am Lehrplan prüfen.
- Einstieg über den Taschenrechner: „Wie berechnet ein Rechner oder ?“ Die fett markierten Stellen in der Ansicht Taschenrechner machen sichtbar, wie schnell die Näherung besser wird.
- Von der Tangente zur Schmiegparabel: Die Ansicht Ableitungen anpassen knüpft an die Tangente an. Die Klasse kann vorab vermuten, welche Häkchen bei grün werden.
- Physik-Bezug: Kleinwinkelnäherung beim Fadenpendel; die Schwingungsdauer gilt nur für kleine Ausschläge.
- Häufige Stolpersteine:
- Die Fakultät im Nenner wird vergessen, oder bei steht statt .
- Man erwartet, dass mehr Summanden immer helfen – das gilt nur im Konvergenzintervall.
- Die Lagrange-Abschätzung wird mit dem wahren Fehler verwechselt; sie ist nur eine obere Schranke.