1.2 Ableitungsregeln
Aus Online Mathematik Brückenkurs 2
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| - | == Die | + | == A - Die Produkt- und Quotientenregel == |
Mittels der Definition der Ableitung können wir Ableitungsregeln für Produkte und Quotienten von Funktionen herleiten: | Mittels der Definition der Ableitung können wir Ableitungsregeln für Produkte und Quotienten von Funktionen herleiten: | ||
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| - | == Ableitung von verketteten Funktionen == | + | == B - Ableitung von verketteten Funktionen == |
Eine Funktion <math>y=f(g)</math>, wo auch die Variable ''g'', selbst eine Funktion von ''x'' ist, nennt man eine verkettete Funktion. Die Funktion ist also <math>y=f \bigl( g(x)\bigr)</math>. Um eine verkettete Funktion abzuleiten, verwendet man die Kettenregel. | Eine Funktion <math>y=f(g)</math>, wo auch die Variable ''g'', selbst eine Funktion von ''x'' ist, nennt man eine verkettete Funktion. Die Funktion ist also <math>y=f \bigl( g(x)\bigr)</math>. Um eine verkettete Funktion abzuleiten, verwendet man die Kettenregel. | ||
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| - | == Höhere Ableitungen == | + | == C - Höhere Ableitungen == |
Falls eine Funktion mehrmals differenzierbar ist, kann man auch höhere Ableitungen berechnen, indem man die Funktion mehrmals ableitet. | Falls eine Funktion mehrmals differenzierbar ist, kann man auch höhere Ableitungen berechnen, indem man die Funktion mehrmals ableitet. | ||
Version vom 15:14, 14. Aug. 2009
| Theorie | Übungen |
Inhalt:
- Die Ableitung eines Produktes und eines Bruches
- Die Ableitung verketteter Funktionen
- Höhere Ableitungen
Lernziele:
Nach diesem Abschnitt solltest Du folgendes wissen :
- Wie man im Prinzip jede Funktion, die aus Elementarfunktionen besteht, ableitet.
A - Die Produkt- und Quotientenregel
Mittels der Definition der Ableitung können wir Ableitungsregeln für Produkte und Quotienten von Funktionen herleiten:
Faktor- und Quotientenregel:
 f(x)g(x) ddx f(x)g(x) =f (x)g(x)+f(x)g(x)=g(x)2f(x)g(x)−f(x)g(x) |
Beispiel 1
ddx(x2ex)=2xex+x2ex=(2x+x2)ex .ddx(xsinx)=1 .
sinx+xcosx=sinx+xcosxddx(xlnx−x)=1 .lnx+xx1−1=lnx+1−1=lnxddxtanx=ddxsinxcosx=(cosx)2cosxcosx−sinx(−sinx)
=cos2xcos2x+sin2x=1cos2x .ddx 
x1+x=(x)21x−(1+x)12x=x2x2x−12x−x2x
=x2 .xx−1=x−12xxddxxex1+x=(1+x)2(1 ex+xex)(1+x)−xex1
=(1+x)2ex+xex+xex+x2ex−xex=(1+x)2(1+x+x2)ex .
B - Ableitung von verketteten Funktionen
Eine Funktion g(x)
| (x)=fg(x)g(x). |
Nennen wir
Man sagt, dass die verkettete Funktion y aus einer äußeren Funktion, f, und einer inneren Funktion g besteht. Analog nennt man \displaystyle f^{\,\prime} die äußere Ableitung, und \displaystyle g' die innere Ableitung.
Beispiel 2
In der Funktion \displaystyle y=(x^2 + 2x)^4 ist
| \displaystyle y=u^4 | die äußere Funktion und | \displaystyle u=x^2+2x | die innere Funktion. |
| \displaystyle \dfrac{dy}{du}=4u^3 | die äußere Ableitung und | \displaystyle \dfrac{du}{dx}=2x+2 | die innere Ableitung. |
Die Ableitung der Funktion y in Bezug auf x ist durch die Kettenregel gegeben
\displaystyle \frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du} \, \frac{du}{dx}
= 4 u^3 \, (2x +2) = 4(x^2 + 2x)^3 \, (2x +2)\,\mbox{.}
|
Wenn man mit verketteten Funktionen rechnet, benennt man die äußere und innere Ableitung meist nicht mit neuen Funktionen, sondern man sagt einfach;
\displaystyle (\text{Äußere Ableitung})
\, (\text{Innere Ableitung})\,\mbox{.}
|
Vergessen Sie nicht, die Produkt-und Quotientenregeln falls notwendig anzuwenden.
Beispiel 3
- \displaystyle f(x) = \sin (3x^2 + 1)
\displaystyle \begin{array}{ll} \text{Äußere Ableitung:} & \cos (3x^2 +1)\\ \text{Innere Ableitung:} & 6x \end{array}
\displaystyle f^{\,\prime}(x) = \cos (3x^2 + 1) \times 6x = 6x \cos (3x^2 +1) - \displaystyle y = 5 \, e^{x^2}
\displaystyle \begin{array}{ll} \text{Äußere Ableitung:} & 5\,e^{x^2}\\ \text{Innere Ableitung:} & 2x \end{array}
\displaystyle y' = 5 \, e^{x^2} \times 2x = 10x\, e^{x^2} - \displaystyle f(x) = e^{x\, \sin x}
\displaystyle \begin{array}{ll} \text{Äußere Ableitung:} & e^{x\, \sin x}\\ \text{Innere Ableitung:} & 1\times \sin x + x \cos x \end{array}
\displaystyle f^{\,\prime}(x) = e^{x\, \sin x} (\sin x + x \cos x) - \displaystyle s(t) = t^2 \cos (\ln t)
\displaystyle s'(t) = 2t \, \cos (\ln t) + t^2 \,\Bigl(-\sin (\ln t) \,\frac{1}{t}\Bigr) = 2t \cos (\ln t) - t \sin (\ln t) - \displaystyle \frac{d}{dx}\,a^x = \frac{d}{dx}\,\bigl( e^{\ln a} \bigr)^x = \frac{d}{dx}\,e^{\ln a \times x} = e^{\ln a \times x} \, \ln a = a^x \, \ln a
- \displaystyle \frac{d}{dx}\,x^a = \frac{d}{dx}\,\bigl( e^{\ln x} \bigr)^a = \frac{d}{dx}\,e^{ a \, \ln x } = e^{a \, \ln x} \times a \, \frac{1}{x} = x^a \times a \, x^{-1} = ax^{a-1}
Die Kettenregel kann mehrmals angewendet werden, um mehrfach verkettete Funktionen abzuleiten. Zum Beispiel hat die Funktion \displaystyle y= f \bigl( g(h(x))\bigr) die Ableitung
\displaystyle y'= f^{\,\prime} \bigl ( g(h(x))\bigr)
\, g'(h(x)) \, h'(x)\,\mbox{.}
|
Beispiel 4
- \displaystyle \frac{d}{dx}\,\sin^3 2x = \frac{d}{dx}\,(\sin 2x)^3
= 3(\sin 2x)^2 \, \frac{d}{dx}\,\sin 2x
= 3(\sin 2x)^2 \, \cos 2x \, \frac{d}{dx}\,(2x)
\vphantom{\Bigl(}
\displaystyle \phantom{\frac{d}{dx}\,\sin^3 2x}{}= 3 \sin^2 2x\,\cos 2x\times 2 = 6 \sin^2 2x\,\cos 2x - \displaystyle \frac{d}{dx}\,\sin \bigl((x^2 -3x)^4 \bigr)
= \cos \bigl((x^2 -3x)^4\bigr)
\, \frac{d}{dx}\,(x^2 -3x)^4
\vphantom{\Bigl(}
\displaystyle \phantom{\frac{d}{dx}\,\sin \bigl((x^2 -3x)^4 \bigr)}{} = \cos \bigl((x^2 -3x)^4\bigr)\times 4 (x^2 -3x)^3 \, \frac{d}{dx}\,(x^2-3x) \vphantom{\Bigl(}
\displaystyle \phantom{\frac{d}{dx}\,\sin \bigl((x^2 -3x)^4 \bigr)}{} = \cos \bigl((x^2 -3x)^4\bigr)\times 4 (x^2 -3x)^3 \, (2x-3) - \displaystyle \frac{d}{dx}\,\sin^4 (x^2 -3x)
= \frac{d}{dx}\,\bigl( \sin (x^2 -3x) \bigr)^4
\vphantom{\Bigl(}
\displaystyle \phantom{\frac{d}{dx}\,\sin^4 (x^2 -3x)}{} = 4 \sin^3 (x^2 - 3x) \, \frac{d}{dx}\,\sin(x^2-3x) \vphantom{\Bigl(}
\displaystyle \phantom{\frac{d}{dx}\,\sin^4 (x^2 -3x)}{} = 4 \sin^3 (x^2 - 3x) \,\cos (x^2 -3x) \, \frac{d}{dx}(x^2 -3x) \vphantom{\Bigl(}
\displaystyle \phantom{\frac{d}{dx}\,\sin^4 (x^2 -3x)}{} = 4 \sin^3 (x^2 - 3x) \,\cos (x^2 -3x)\, (2x-3) - \displaystyle \frac{d}{dx}\,\Bigl ( e^{\sqrt{x^3-1}}\,\Bigr)
= e^{\sqrt{x^3-1}} \, \frac{d}{dx}\,\sqrt{x^3-1}
= e^{\sqrt{x^3-1}} \, \frac{1}{2 \sqrt{x^3-1}}
\, \frac{d}{dx}\,(x^3-1)
\vphantom{\Biggl(}
\displaystyle \phantom{\displaystyle \frac{d}{dx}\,\Bigl ( e^{\sqrt{x^3-1}}\,\Bigr)}{} = e^{\sqrt{x^3-1}} \, \frac{1}{2 \sqrt{x^3-1}} \times 3 x^2 = \frac { 3 x^2 e^{\sqrt{x^3-1}}} {2 \sqrt{x^3-1}} \vphantom{\dfrac{\dfrac{()^2}{()}}{()}}
C - Höhere Ableitungen
Falls eine Funktion mehrmals differenzierbar ist, kann man auch höhere Ableitungen berechnen, indem man die Funktion mehrmals ableitet.
Die zweite Ableitung schreibt man meistens \displaystyle f^{\,\prime\prime}, während man die dritte Ableitung als \displaystyle f^{\,(3)} schreibt, die vierte als \displaystyle f^{\,(4)} etc.
Mann kann auch \displaystyle D^2 f, \displaystyle D^3 f oder \displaystyle \frac{d^2 y}{dx^2}, \displaystyle \frac{d^3 y}{dx^3}, \displaystyle \ldots schreiben.
Beispiel 5
- \displaystyle f(x) = 3\,e^{x^2 -1}
\displaystyle f^{\,\prime}(x) = 3\,e^{x^2 -1} \, \frac{d}{dx}\,(x^2-1) = 3\,e^{x^2 -1} \times 2x = 6x\,e^{x^2 -1}\vphantom{\biggl(}
\displaystyle f^{\,\prime\prime}(x) = 6\,e^{x^2 -1} + 6x\,e^{x^2 -1} \times 2x = 6\,e^{x^2 -1}\,(1+ 2x^2) - \displaystyle y = \sin x\,\cos x
\displaystyle \frac{dy}{dx} = \cos x\,\cos x + \sin x\,(- \sin x) = \cos^2 x - \sin^2 x\vphantom{\Biggl(}
\displaystyle \frac{d^2 y}{dx^2} = 2 \cos x\,(-\sin x) - 2 \sin x \cos x = -4 \sin x \cos x - \displaystyle \frac{d}{dx}\,( e^x \sin x) = e^x \sin x + e^x \cos x
= e^x (\sin x + \cos x)
\vphantom{\Bigl(}
\displaystyle \frac{d^2}{dx^2}(e^x\sin x) = \frac{d}{dx}\,\bigl(e^x (\sin x + \cos x)\bigr) \vphantom{\Bigl(} \displaystyle \phantom{\frac{d^2}{dx^2}(e^x\sin x)}{} = e^x (\sin x + \cos x) + e^x (\cos x - \sin x) = 2\,e^x \cos x \vphantom{\biggl(}
\displaystyle \frac{d^3}{dx^3} ( e^x \sin x) = \frac{d}{dx}\,(2\,e^x \cos x) \vphantom{\Bigl(} \displaystyle \phantom{\frac{d^3}{dx^3} ( e^x \sin x)}{} = 2\,e^x \cos x + 2\,e^x (-\sin x) = 2\,e^x ( \cos x - \sin x )
