Vertiefung – algebraisch-analytisches Vorgehen
Ableitungen mit Grenzwerten bestimmen
Die Ableitung einer Funktion an einer Stelle
Aufgabe 1
Verdeutliche den Zusammenhang zwischen der mittleren Änderungsrate, der lokalen Änderungsrate (also der Ableitung), der Sekante und der Tangente an einer Skizze. Erkläre diese vier Begriffe.
Aufgabe 2
Nutze das folgende Applet, um Ableitungswerte für die im Applet vorgegebene Exponentialfunktion
Anleitung für das Applet
- Im Eingabefeld links oben kann man die Funktionsgleichung der zu untersuchenden Exponentialfunktion eingeben. Betrachte zunächst die voreingestellte Exponentialfunktion
. - Im Eingabefeld für
gibt man die betrachtete Stelle vor. Diese Stelle legt den (rot eingefärbten) Punkt auf dem Funktionsgraphen fest. Ziel ist es, die Steigungen des Funktionsgraphen in diesem Punkt abzuschätzen. - Mit dem Punkt
auf dem Funktionsgraphen wird eine Sekante durch und festgelegt. Die Steigung dieser Sekante wird im oberen Fenster angezeigt. - Den Punkt
kann man auf dem Funktionsgraphen bewegen. Wenn man ihn zum Punkt hinbewegt, dann liefert die zugehörige Sekantensteigung immer besserer Näherungswerte für die Steigung des Funktionsgraphen im Punkt und damit für die gesuchte Ableitung . - Im Grenzfall
gibt es keine Sekante mehr. Stattdessen wird in diesem Fall die Tangente an Graph auf durch den Punkt angezeigt. Im oberen Fenster wird die Steigung der Tangente als Grenzwert der approximierenden Sekantensteigungen angezeigt.
Zum Herunterladen: ableitung_exponentialfunktionen_approx.ggb
Eine Formel für die Ableitungsfunktion einer Exponentialfunktion herleiten
Mithilfe des Applets wurde die Ableitung einer Exponentialfunktion an vorgegebenen Stellen bestimmt. Doch wie geht das ohne Applet? Und ist es nicht zu aufwändig, für jede Funktion ein Applet zu nutzen?
Ziel
Wir leiten die Funktionsgleichung der Ableitungsfunktion einer Exponentialfunktion rechnerisch her.
Wir gehen dabei exemplarisch vor und werden nur ein – charakteristisches – Beispiel einer Exponentialfunktion betrachten. Das Vorgehen ist aber auf andere Exponentialfunktionen übertragbar. Zur Einfachheit nutzen wir zuerst eine Funktion ohne Vorfaktor. Wir betrachten
Aufgabe 3 – umformen
In einem 1. Schritt wird die Formel für die mittlere Änderungsrate (bzw. die Sekantensteigung)
Aufgabe 4 – den Grenzprozess durchführen
In einem 2. Schritt wird der Grenzprozess
(a) Benutze das Applet, um den Grenzwert dieses Teilterms für
Zum Herunterladen: grenzwert_c_0.ggb
(b) Betrachte jetzt den gesamten Term
(c) Begründe:
Aufgabe 5 – weitere Exponentialfunktionen betrachten
(a) Betrachte jetzt die Exponentialfunktion
(b) Betrachte die Exponentialfunktion
(c) In der Erkundung wurde die Exponentialfunktion
Aufgabe 6 – die Ergebnisse verallgemeinern
Verallgemeinere die Ergebnisse und formuliere sie als Sätze.
Ableitung einer Exponentialfunktion
Gegeben ist eine Exponentialfunktion
...
Gegeben ist eine Exponentialfunktion
...
Ausblick
Wir haben nun das Problem, eine Exponentialfunktion abzuleiten, fast gelöst: Die Funktionsgleichung bleibt weitgehend gleich, es kommt jedoch ein Faktor
Wie können wir