Differenzierbarkeit

Differenzierbarkeit

!AnaI LinA Ing Skript, p.159

#Definition Differenzierbarkeit

Sei f:RDR eine Funktion.

  1. f heißt differenzierbar in x0D, falls
f(x0):=limxx0f(x)f(x0)xx0

existiert. f(x0) heißt Ableitung von f in x0.

  1. f heißt differenzierbar auf D, falls f in allen x0D differenzierbar ist. Dann heißt die Abbildung
f:DR,xf(x),

die Ableitung von f.

Den Übergang von f zu f nennt man ableiten oder differenzieren.

Rechenregeln

  1. Linearität: $$ (f(x) + g(x))' = f'(x) + g'(x) $$
  2. Linearität: $$(cf(x))' = cf'(x) \quad \text{für alle } c \in \mathbb{R}.$$
  3. Produktregel: $$(f(x)g(x))' = f'(x)g(x) + f(x)g'(x).$$
  4. Quotientenregel: $$\left(\frac{f(x)}{g(x)}\right)' = \frac{f'(x)g(x) - f(x)g'(x)}{g(x)^2}, \quad \text{falls } g(x) \neq 0.$$Insbesondere $$\left(\frac{1}{g(x)}\right)' = -\frac{g'(x)}{g(x)^2}.$$
  5. Kettenregel: Ist g:DR in x differenzierbar und f:ER in g(x) differenzierbar, so gilt$$(f(g(x)))' = f'(g(x))g'(x).$$

Ableitung der Umkehrfunktion

#Definition Ableitung der Umkehrfunktion

Seien I und J Intervalle. Sei f:IJ differenzierbar und umkehrbar mit f(x)0 für xI. Dann ist auch f1:JI differenzierbar mit

(f1)(x)=1f(f1(x))

Nullstellen

!AnaI LinA Ing Skript, p.166

#Definition Newton-Verfahren

Wähle einen Startwert x0 „nahe“ der Nullstelle x von f. Ist xn gegeben, konstruieren wir xn+1 wie folgt: Wir approximieren f in xn durch ihre Tangente,

f(x)f(xn)+f(xn)(xxn),

und bestimmen xn+1 als Nullstelle der Tangente, also aus

f(xn)+f(xn)(xn+1xn)=0.

Auflösen ergibt

xn+1=xnf(xn)f(xn),n=0,1,2,3,

Dabei setzen wir voraus, dass f(xn)0, und auch dass f(x)0. Unter gewissen Voraussetzungen konvergiert die Folge (xn)nN gegen eine Nullstelle von f.

Example

Beispiel: Sei f(x)=x2a mit a>0
Die Nullstellen sind ±a und es ist f(x)=2x.
Ansatz:

xn+1=xnxn2a2xn=xn2+a2xn=12(xn+axn).

Sei a=3. Was ist 3? Wähle x0=2, dann ist

x1=12(2+32)=1+34=1.75,

schon die erste Nachkommastelle korrekt. Die weiteren Folgenglieder sind:

x0=2.000000000000000x1=1.7500000000000000x2=1.732142857142857x3=1.732050810014727x4=1.732050807568877,

wobei korrekte Stellen rot markiert sind. Schon nach vier Schritten sind 15 Nachkommastellen korrekt berechnet.

Höhere Ableitungen

#Definition Höhere Ableitungen

Ist f:RDR auf ganz D differenzierbar, so ist f:DR, xf(x), wieder eine Funktion. Ist f differenzierbar, so schreiben wir f=(f) für die zweite Ableitung von f.
Wir definieren die k-te Ableitung von f per Induktion:

f(0):=f,f(k):=(f(k1))für k1.

Die 0-te Ableitung ist die Funktion selbst, f(0)=f, und es sind f(1)=f, f(2)=(f)=f, usw.

Interpretation der zweiten Ableitung:

  • Geometrische Interpretation:
    f(x) beschreibt die Krümmung des Funktionsgraphen von f in x. Punkte, in denen f das Vorzeichen ändert, heißen Wendepunkte.
  • Physikalische Interpretation:
    Die zweite Ableitung ist die Ableitung der Geschwindigkeit, also die Beschleunigung, d. h.
    s(t): Weg
    s(t): Geschwindigkeit
    s(t): Beschleunigung

Regel von Bernoulli / de L'Hospital

#Definition Regel von Bernoulli/de l'Hospital

Seien f,g:[a,b[R differenzierbar, wobei a<b.

Weiter gelte$$ \lim_{x \to b} f(x) = \lim_{x \to b} g(x) = 0 \quad \text{oder} \quad \lim_{x \to b} g(x) \in {-\infty, \infty}. $$
Falls$$ \lim_{x \to b} \frac{f'(x)}{g'(x)} \in \mathbb{R} \cup {-\infty, \infty} $$
existiert (und g(x)0 für alle x nahe b), dann ist

limxbf(x)g(x)=limxbf(x)g(x).

Gleiches gilt für Grenzwerte xa.

  1. Es kommt vor, dass man den Grenzwert$$ \lim_{x \to b} \frac{f'(x)}{g'(x)} $$auch erst mit der Regel von l'Hospital berechnet, die Regel also mehrfach anwendet.
  2. Bei Grenzwerten „0“ kann man oft umformen und anschließend die Regel von l'Hospital anwenden:$$ f(x)g(x) = \frac{f(x)}{\frac{1}{g(x)}}. $$