Quotientenregel
Nach dieser Lektion kannst du
die Quotientenregel aus Produkt- und Kettenregel herleiten
Brüche von Funktionen ableiten und das Ergebnis vereinfachen
entscheiden, wann man statt der Quotientenregel besser umformt
die Ableitung des Tangens bestimmen
Brüche sind überall. Viele Größen sind Verhältnisse: die Durchschnittskosten pro Stück , die Konzentration eines Stoffes , die Wirkung eines Medikaments, die erst steigt und dann abklingt, etwa . Wer wissen will, wann eine solche Größe am größten ist, braucht ihre Ableitung.
Für Produkte haben wir die Produktregel. Ein Bruch ist das Produkt . Wir müssen also nur noch herausfinden, wie man ableitet, und dafür reicht die Kettenregel. Eine neue Grundidee braucht diese Lektion nicht. Sie setzt zusammen, was schon da ist.
Darf man einen Bruch ableiten, indem man Zähler und Nenner einzeln ableitet, also ?
Schritt 1: die Ableitung von
Schritt 1: die Ableitung von
ist eine Verkettung: Innen wird berechnet, außen der Kehrwert genommen.
Die äußere Funktion ist der Kehrwert. Als Potenz geschrieben lässt sie sich mit der Potenzregel ableiten:
Schritt 2: der allgemeine Bruch
Schritt 2: der allgemeine Bruch
Jetzt schreiben wir und wenden die Produktregel an.
Produktregel mit den Faktoren und :
Quotientenregel
Sind und an der Stelle differenzierbar und ist , dann ist dort differenzierbar mit
Beispiel:
Beispiel:
Das ist die Wirkung eines Medikaments aus der Einleitung (mit statt ). Wann ist sie am größten?
Zähler und Nenner mit Ableitungen:
Probier es aus
Leite ab und vereinfache.
Die Ableitung des Tangens
Die Ableitung des Tangens
Der Tangens ist , definiert überall dort, wo . Mit , , , :
Im letzten Schritt steht der Satz des Pythagoras am Einheitskreis: . Teilt man den Zähler stattdessen einzeln, erhält man die zweite übliche Form . Beide Formen sind gleich, und beide sind immer positiv: Der Tangens steigt auf jedem Stück seines Definitionsbereichs.
Welche Ableitung hat ?
Die Reihenfolge im Zähler vertauschen
Die Reihenfolge im Zähler vertauschen
Man schreibt .
Das Ergebnis hat dann das falsche Vorzeichen. Probe mit : Die vertauschte Formel gibt , aber der Graph von fällt. Richtig: zuerst der abgeleitete Zähler, .
Das Quadrat im Nenner vergessen
Das Quadrat im Nenner vergessen
Man schreibt .
Im Nenner steht . Das sieht man an der Herleitung: Die Kehrwertregel liefert , und der erste Summand wird mit auf denselben Nenner erweitert.
Falsch kürzen
Falsch kürzen
Man kürzt in ein aus der Summe im Zähler gegen den Nenner.
Kürzen darf man nur Faktoren, nie Summanden. Erst den Zähler zusammenfassen (), dann prüfen, ob er einen Faktor mit dem Nenner gemeinsam hat. Hier ist das nicht der Fall.
Zusammenfassung
Einen Bruch darf man nicht ableiten, indem man Zähler und Nenner einzeln ableitet.
Kehrwertregel aus der Kettenregel: .
Quotientenregel aus Produkt- und Kehrwertregel: , für .
Im Zähler zuerst den abgeleiteten Zähler, dann das Minus. Probe mit .
Den Nenner stehen lassen: Er ist nie negativ, das Vorzeichen von steckt im Zähler.
Ableitung des Tangens: .
Vorher prüfen, ob Kürzen, Umschreiben als Potenz oder die Kehrwertregel einfacher ist.
Übungen
Leite für ab.
Sei . Berechne .
Leite für ab.
Für welche Funktion ist die Quotientenregel der umständlichste Weg?
Der Graph von hat für einen Tiefpunkt. An welcher Stelle?
Die Durchschnittskosten bei Stück sind mit . Bei welcher Stückzahl sind die Durchschnittskosten minimal?
Zeige: An der Stelle, an der die Durchschnittskosten minimal sind, sind sie genau so groß wie die Grenzkosten . Prüfe das mit .