Differenzierbarkeit und Ableitungsfunktion, Matheübungen

Untersuchung von abschnittsweise definierten Funktionen und Betragsfunktion auf Differenzierbarkeit; Zusammenhang zwischen f, f´ und F (Stammfunktion) anhand von Graphen

Hilfe
  • Überlege bei jeder Farbe: Kann es sich um eine Ableitung handeln und wenn ja, von welchen Graphen?
  • Hinsichtlich f, F (Stammfunktion von f) und f´ gilt also die "Ableitungskette"

    F → f → f´

    Ihre Graphen stehen in folgendem Zusammenhang:

    F bzw. f f bzw. f´
    streng monoton steigend verläuft oberhalb der x-Achse
    streng monoton fallend verläuft unterhalb der x-Achse
    waagrechte Tangente schneidet/berührt die x-Achse

Dargestellt sind unter anderem die Graphen von f, f´ und F (Stammfunktion). Ordne richtig zu.

  • graphik
    Funktion f:
    Ableitung f ´:
    Stammfunktion F:
    Notizfeld
    Notizfeld
    Tastatur
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Was zeigt das Vorzeichen der Ableitung f'(x) einer Funktion an?
#400

Die Ableitung f´ einer differenzierbaren Funktion f liefert für jede definierte Stelle x die lokale Änderungsrate (= Steigung des Graphen von f an dieser Stelle). Insbesondere zeigt das Vorzeichen von f´ an, ob f im betrachteten Intervall zunimmt oder abnimmt:

f´(x) f bzw. Gf
> 0 streng monoton zunehmend bzw. wachsend
< 0 streng monoton abnehmend bzw. fallend
= 0 waagrechte Tangente

Achtung: die Tabelle ist von links nach rechts zu lesen, d.h. aus f´(x)>0 in einem bestimmten Intervall kann auf strenge Monotonie von f geschlossen werden - aber nicht umgekehrt. Wenn f in einem bestimmten Intervall streng monoton wächst, kann es dort durchaus einzelne Stellen geben, an denen die Ableitung gleich null ist (waagrechte Tangente).

Beispiel
graphik
In welchen Intervallen gilt 
f
 
x
 
> 0,
   
f
 
x
 
< 0,
   
f ´
 
x
 
> 0,
   
f ´
 
x
 
< 0?
An welchen Stellen gilt 
f
 
x
=
0,
   
f ´
 
x
=
0?
Was ist eine Stammfunktion F von f und welche Beziehung besteht zwischen den Werten von f und F?
#401

Die Funktion F ist genau dann eine Stammfunktion von f, wenn F´ = f (wenn also f die Ableitung von F ist). Damit gilt folgender Zusammenhang

F bzw. GF f (x)
streng monoton steigend > 0 im betrachteten Intervall
streng monoton fallend < im betrachteten Intervall
keine Steigung (waagrechte Tangente) = 0
Was versteht man unter der "Ableitungskette" in Bezug auf Funktionen und ihre Graphen?
#402
Hinsichtlich f, F (Stammfunktion von f) und f´ gilt also die "Ableitungskette"

F → f → f´

Ihre Graphen stehen in folgendem Zusammenhang:

F bzw. f f bzw. f´
streng monoton steigend verläuft oberhalb der x-Achse
streng monoton fallend verläuft unterhalb der x-Achse
waagrechte Tangente schneidet/berührt die x-Achse
Wie kann man einen von Betragsstrichen umgebenen Term betragsfrei schreiben?
#1121
Um einen Term | T(x) | betragsfrei zu schreiben, gehe wie folgt vor:
  1. Ermittle den Bereich, in dem der zugehörige Graph oberhalb oder auf der x-Achse liegt. Wenn kein Graph gegeben ist, löse dazu die Ungleichung T(x) ≥ 0.
  2. Im ermittelten Bereich kann | T(x) | durch T(x) ersetzt werden, d.h. die Betragsstriche können hier einfach weggelassen werden.
  3. Im restlichen Bereich muss anstelle der Betragsstriche ein Minuszeichen vor den umklammerten Term gesetzt werden.
Beispiel
Schreibe den Term 
4
−
9x
 betragsfrei.
Besitzt der Differenzenquotient

[ f(a+h) − f(a) ] / h

für h → 0 (h ≠ 0) keinen Grenzwert, so ist f an der Stelle a nicht differenzierbar.

Das kann sich beispielsweise darin äußern, dass die einseitigen Grenzwerte nicht übereinstimmen. Der Graph weist an einer solchen Stelle einen Knick auf.

Wie erkennt man graphisch, dass eine Funktion an einer Stelle nicht differenzierbar ist?
#1120
Wenn f an der Stelle x0 differenzierbar ist, so hat Gf dort eine eindeutige Tangente. Weist Gf also an einer Stelle einen Knick oder einen Sprung auf, so kann f dort nicht differenzierbar sein. Ist f an einer Stelle nicht stetig (Sprung), so kann f dort also auch nicht differenzierbar sein.

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