Kurs:Infinitesimal-Rechnung

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Einleitung[Bearbeiten]

Der Differentialrechnung liegt eine Anzahl physikalischer Probleme zugrunde, die alle eines gemeinsam haben: Es geht dabei stets um den Momentanwert einer zeitlich oder örtlich veränderlichen physikalischen Größe, also um Fragen wie

  • Was ist die Steigung einer Kurve in einem ihrer Punkte?
  • Was versteht man unter der (momentanen) Geschwindigkeit eines nicht gleichförmig bewegten Körpers?
  • Was ist seine (momentane) Beschleunigung?
  • Was ist die (momentane) Stromstärke eines Flüssigkeitsstromes oder eines elektrischen Stromes?
  • Was versteht man unter der Dichte eines inhomogenen Körpers in einem seiner Punkte?

Dabei geht es einerseits um exakte Definitionen, andererseits aber auch um Methoden zur Berechnung dieser Größen. (Dabei wird sich herausstellen, dass diese und ähnliche Größen zwar definiert und unter idealisierten Bedingungen berechnet, aber nicht gemessen werden können.)

Die stets gleichartige Problematik lässt sich sehr anschaulich an der Steigung einer Kurve erörtern.

Physikalische Motivation: Bahngeschwindigkeit und Bahnbeschleunigung[Bearbeiten]

Bahngeschwindigkeit und Bahnbeschleunigung werden im Alltag (zum Beispiel bei Fahrzeugen) schlicht Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung genannt. In der Physik jedoch sind Geschwindigkeit und Beschleunigung Vektoren, und so sind klare Unterscheidungen und Begriffe notwendig.

Legt ein Massenpunkt von einem Punkt P aus in der Zeit Δt die Strecke Δs zurück, so heißt der Quotient Δs / Δt seine mittlere Bahngeschwindigkeit vm im Zeitintervall Δt oder auf der Strecke Δs.


Bahngesch-01.PNG



Man beachte, dass Δs hier nicht die Verschiebung, sondern die Bogenlänge, also die zurückgelegte Wegstrecke ist.

Von mittlerer Bahngeschwindigkeit sprechen wir darum, weil sich der Massenpunkt auf der betrachteten Strecke möglicherweise nicht gleichmäßig schnell bewegt hat.

Machen wir die Strecke Δs immer kleiner, so wird auch das Zeitintervall Δt immer kleiner. Für Δs gegen null (oder Δt gegen null, was auf dasselbe hinausläuft) nähert sich der Quotient Δst unbeschränkt einem Grenzwert, den wir die Bahngeschwindigkeit v des Massenpunktes im Punkt P nennen:



In der Analysis wird dieser Grenzwert auch mit ds/dt bezeichnet, also:



Dies ist zunächst nichts weiter als eine bequeme Abkürzung. (Und die Zeiten sind lange, lange vorbei, da man ds und dt noch als »unendlich klein« oder »verschwindend klein« oder »infinitesimal« bezeichnen durfte. Auch wenn es manche Leute noch immer nicht bemerkt haben.)

Nehmen wir weiter an, der Massenpunkt habe im Punkt P und zur Zeit t die Bahngeschwindigkeit v und zur Zeit t + Δt die Bahngeschwindigkeit v + Δv. Dann bezeichnen wir den Quotienten Δvt als die mittlere Bahnbeschleunigung am des Massenpunktes im Zeitintervall Δt:



Für Δt gegen null strebt dieser Quotient einem Grenzwert zu, der Bahnbeschleunigung a des Massenpunktes zur Zeit t heißt.



Für diesen Grenzwert wird auch folgende Abkürzung benutzt:



Ist der Weg s als analytische Funktion der Zeit t beschrieben, also s = s (t), so ist die Bahngeschwindigkeitsfunktion v (t) die erste Ableitung der Funktion s (t) nach der Zeit, die Bahnbeschleunigungsfunktion a (t) ihre zweite Ableitung. Ableitungen nach der Zeit können auch durch einen Punkt über dem Formelzeichen bezeichnet werden.



Umgekehrt können die Bahngeschwindigkeitsfunktion und die Wegfunktion durch Integration gefunden werden:


Die zu den unbestimmten Integralen gehörigen additiven Konstanten müssen aus den Anfangsbedingungen oder Randbedingungen bestimmt werden.

Beispiel: Beim freien Fall erfährt der Massenpunkt die konstante Beschleunigung g. Dann ist, wenn er zur Zeit t = 0 die senkrecht nach oben oder unten gerichtete Bahngeschwindigkeit v0 und die Ortskoordinate s0 hat,


 

 

Die Steigung einer Kurve in einem ihrer Punkte[Bearbeiten]

Steigung einer Geraden[Bearbeiten]

Definition: Die Steigung einer Geraden ist der Tangens des Winkels, den sie mit der positiven X-Achse einschließt. Er ist gleich dem Quotienten der Koordinatendifferenzen zweier ihrer Punkte:

Datei:Diffr 01.PNG

Der Quotient Δyx heißt Differenzenquotient.

Daraus folgt für die Steigung der Sekante eines Kurvenstücks:

Datei:Diffr 02.PNG

Die Steigung der Sekante wird auch als die "mittlere Steigung der Kurve im Intervall Δx " bezeichnet.

Steigung einer Kurve in einem ihrer Punkte[Bearbeiten]

Definition: Die Steigung s = tan τ einer Kurve in einem ihrer Punkte ist der Grenzwert, dem der Differenzenquotient und damit auch der tan σ für Δx gegen 0 zustrebt.

Der Grenzwert existiert nur unter bestimmten Voraussetzungen, über die noch zu sprechen sein wird.

Diese Definition sagt nichts darüber aus, wie der Grenzwert ermittelt werden kann, aber das ist auch nicht ihre Aufgabe.

Tangente in einem Kurvenpunkt[Bearbeiten]

Definition: Die Tangente im Punkt P einer Kurve ist die Gerade durch P(ξ, η), welche dieselbe Steigung s = tan τ hat wie die Kurve in P. Ihre Gleichung (Punkt-Richtungs-Gleichung) lautet demnach

Der Index ξ bei der Klammer besagt, dass der Grenzwert an der Stelle x = ξ zu bilden ist, d. h. dass das Intervall Δx sich auf den Wert ξ zusammenziehen soll.

Selbst wenn die betrachtete Kurve "zusammenhängend" ist, das heißt, nirgendwo einen Sprung macht, können in einem Punkt P der rechtsseitige (Δx > 0) und der linksseitige Grenzwert (Δx < 0) zwei verschiedene Werte haben. Die Kurve hat dann in P zwei Tangenten.

Datei:Diffr 03.PNG

Differentialquotient und Differentiale[Bearbeiten]

Der Grenzwert des Differenzenquotienten Δyx wird abkürzend als Differentialquotient dy/dx bezeichnet:

Die so genannten Differentiale dy und dx wurden zeitweilig als Symbole für die "verschwindend klein" (oder gar "unendlich klein" – ein völlig unsinniger Ausdruck!) gewordenen Differenzen Δy und Δx angesehen. Heute wird dies von den Mathematikern für das Produkt einer zeitweiligen geistigen Verwirrung gehalten.

Die Differentiale selbst jedoch haben sich als sehr nützlich erwiesen, wenn man ihnen nur eine andere Bedeutung zuweist. Das geschieht wie folgt:

1. Das Differential dx ist identisch mit der Differenz Δx. Je nachdem, ob die damit gemeinte Größe zusammen mit dy oder Δy auftritt, wird die eine oder die andere Bezeichnung gewählt.

2. Das Differential dy ist der (positive oder negative) Anstieg der Kurventangente im Intervall dx (während Δy der Anstieg der Kurve selbst ist).

Datei:Diffr 04.PNG

Wie man erkennt, ist

Für hinreichend kleine Δx = dx gilt die wichtige Näherung

Bei einigen wenigen Kurven kann die Tangente in einem beliebigen Kurvenpunkt exakt konstruiert werden. (Beispiel: Tangentenkonstruktion bei einem Kreis.) In einem solchen Fall kann auch ihre Steigung (also der Differentialquotient) graphisch ermittelt werden. Im Allgemeinen jedoch ist man auf die analytische Darstellung der Kurve – ihre Funktionsgleichung – angewiesen, wenn man den Grenzwert bestimmen will.

Die Bedeutung des Differentialquotienten reicht aber weit über das Tangentenproblem hinaus. Er spielt in Teilgebieten der Mathematik, insbesondere aber in der Physik eine bedeutende Rolle. Die mathematische Durchdringung der Physik ist ohne den Differentialquotienten undenkbar. Wir übertragen daher jetzt die oben eingeführten Begriffe auf mathematische Funktionen.

 

Der Differentialquotient einer Funktion[Bearbeiten]

Zur Auffrischung: Funktion
Die eindeutige Zuordnung der Elemente y einer Menge Y von Zahlen zu den Elementen x einer Menge X von Zahlen heißt Funktion.
Anders ausgedrückt:
Durch eine Funktion wird jedem Element x der Menge X genau ein Element y der Menge Y zugeordnet. (Es ist derzeit üblich, eine solche Zuordnung als "Abbildung" zu bezeichnen, obwohl der Sinn einer solchen Ausdrucksweise erst in der Funktionentheorie verständlich wird.)
X heißt Definitionsbereich D, Y heißt Wertebereich W der Funktion.
Der einem Wert xi zugeordnete Wert yi heißt der zu xi gehörige Funktionswert yi = f(xi.
Die analytische Darstellung einer Funktion geschieht durch ihre Funktionsgleichung. Diese kann verschiedene Formen haben:
Explizite Form: y = f(x)
Implizite Form: F(x, y) = 0
Parameterdarstellung: x = φ(t), y = ψ(t)
Mittelbare Funktion: y = f(φ(x))


Beachte den Unterschied zwischen Funktion und Funktionsgleichung.
Wenn nichts anderes verabredet wird, gilt als Definitionsbereich D einer Funktion die Menge aller reellen Zahlen, deren Funktionswert ebenfalls reell ist.

Die Funktionsgleichung der Funktion f sei y = f(x). Ferner sei die Funktion an der Stelle x = ξ und in der Umgebung von ξ definiert. (Damit ist gemeint, dass ξ nicht ein singulärer, isolierter Definitionspunkt sein darf, in dessen Nachbarschaft die Funktion nicht definiert ist. Die "Umgebung" kann sehr wohl eine einseitige Umgebung sein, sodass ξ ein Randpunkt des Definitionsbereichs ist. Die Intervallbreite der "Umgebung" darf beliebig klein, jedoch nicht null sein. – Die Bedingung, dass die Funktion in einer gewissen Umgebung von ξ definiert sein muss, ist notwendig, damit der Funktionswert nicht nur an der Stelle ξ, sondern auch an der Stelle ξ + Δx angegeben werden kann.)

Dann ist der an der Stelle x = ξ gebildete Differenzenquotient der Funktion f(x):

Wenn der Grenzwert

existiert, so sagt man, die Funktion f(x) sei an der Stelle ξ differenzierbar, oder sie besitze dort eine Ableitung.

Übliche Bezeichnungen für den Differentialquotienten und für die Ableitung an der Stelle ξ sind:

Lehrsatz 1: Ist die Funktion f(x) an der Stelle ξ differenzierbar, so ist sie dort auch stetig.

Beweis: Wenn die Funktion f(x) an der Stelle ξ differenzierbar ist, so existiert dort der Grenzwert


und hat dort einen bestimmten (endlich großen) Wert s. Dies setzt jedoch voraus, dass für Δx gegen 0 auch Δy gegen 0 geht, also



ist. (Anderenfalls würde der Differenzenquotient für Δx gegen 0 unbeschränkt wachsen.) Die rechte Gleichung ist aber nichts anderes als das Kriterium der Stetigkeit der Funktion f an der Stelle ξ.


Lehrsatz 2: Die Funktion f(x) sei an der Stelle ξ differenzierbar und daher auch in einer gewissen Umgebung dieser Stelle definiert. Setzt man nun für alle Δx ungleich 0, für die f(ξ + Δx) definiert ist,



so ist

und gx) an der Stelle 0 stetig.

Dieser Satz ist unmittelbar einleuchtend. Er kann – samt seiner Umkehrung – in der folgenden Form ausgesprochen werden:


Lehrsatz 3: Eine an der Stelle ξ und in einer Umgebung von ξ definierte Funktion f(x) ist dann und nur dann an dieser Stelle differenzierbar und hat dort die Ableitung f' (ξ) = s, wenn die Differenz



sich nach der Formel



in zwei Teile zerlegen lässt, wovon der erste proportional zu Δx ist und der zweite so beschaffen ist, dass er auch nach Division durch Δx für Δx gegen 0 ebenfalls gegen 0 geht.

Beweis:

1. Die Formel in Lehrsatz 3 ist nichts anderes als die mit Δx multiplizierte und dann umgestellte Formel in Lehrsatz 2.

2. Ist umgekehrt die Bedingung erfüllt, so ist nach Division durch Δx



Die Funktion f(x) besitzt also an der Stelle ξ eine Ableitung und diese hat den Wert f' (ξ).

Dieser wichtige Satz heißt Zerlegungssatz, und die obige Formel heißt Zerlegungsformel.


Differenzierbarkeit einer Funktion in einem Intervall[Bearbeiten]

Definition: Eine Funktion f(x) heißt im beiderseits offenen Intervall (a, b) differenzierbar, wenn sie an jeder Stelle des Intervalls differenzierbar ist.

Ist eine Funktion f(x) im Intervall (a, b) differenzierbar, so hat ihre Ableitung in jedem Punkt des Intervalls einen genau bestimmten Wert, der mit f' (x) bezeichnet wird, wobei a < x < b ist. Folglich ist die Ableitung f' (x) in dem angegebenen Intervall selbst wieder eine Funktion von x.

Diese Funktion f' (x) wird die abgeleitete Funktion oder kurz Ableitung von f(x) genannt. Übliche Schreibweisen für die abgeleitete Funktion sind



 



Differentiationsregeln[Bearbeiten]

Einfachste Fälle[Bearbeiten]

1. Die konstante Funktion y = c (c reell)

Der Graph dieser Funktion ist eine horizontale Gerade. Ihre Steigung ist null. Daher ist auch y' = 0.

2. Die Funktionen y = ax und y = ax + b (a, b reell)

Die Graphen beider Funktionen sind parallele Geraden mit der Steigung a. Folglich gilt für die Ableitungen beider Funktionen y' = a.

Die Ableitung der Summe und Differenz zweier Funktionen[Bearbeiten]

Es sei f(x) = u(x) + v(x), und die Funktionen u(x) und v(x) seien für a < x < b beide differenzierbar. (Dies soll künftig für alle auftretenden Funktionen gelten.)

Dann ist





Analog findet man



Ableitung des Produkts zweier Funktionen[Bearbeiten]

Aus


folgt




und durch Subtraktion und Addition von


im Zähler




Für Δx gegen 0 wird daraus:



Als Sonderfall ergibt sich daraus für einen konstanten Faktor c



Die "Produktregel" ist besonders einprägsam in der Kurzform



oder


In dieser Form lässt sich die Regel besonders leicht auf drei und mehr Faktoren übertragen:


Ableitung des Quotienten zweier Funktionen[Bearbeiten]

1. Wir betrachten zunächst einen einfachen Sonderfall:



Dann ist


Für Δx gegen 0 wird daraus:



2. Den allgemeinen Fall, nämlich



fassen wir nun als Produkt auf, wenden darauf die "Produktregel" an und berücksichtigen dabei das soeben gewonnene Ergebnis:




und schließlich



Ableitung der Potenzfunktion[Bearbeiten]

Es sei



Durch Anwendung der erweiterten Produktregel ergibt sich dann



Ableitung der rationalen Funktionen[Bearbeiten]

Durch Kombination der bisher bewiesenen Sätze können alle ganzen und gebrochenen rationalen Funktionen differenziert werden.


Ableitung einer inversen Funktion[Bearbeiten]

Es sei f(x) eine im abgeschlossenen Intervall [a, b] stetige und streng monoton steigende Funktion. Ferner sei f(a) = c und f(b) = d.


Datei:Diffr 05.PNG


Dann ist im Intervall [c, d] jedem Wert y eindeutig ein Wert x zugeordnet, sodass auch x eine Funktion von y ist:



Die Funktion φ heißt die Umkehrfunktion oder inverse Funktion zu f. Dabei vertauschen Definitionsbereich und Wertebereich ihre Rollen.

Charakteristisch für die Funktion und ihre Umkehrfunktion ist, dass für jeden Wert ξ und für jeden Wert η im jeweiligen Intervall


gilt.


Für die Steigungen der Tangente in einem beliebigen Punkt P(x, y) gilt:



Datei:Diffr 06.PNG



Wegen



Dieses wichtige Ergebnis kann auch so geschrieben werden:



Ableitung einer mittelbaren Funktion[Bearbeiten]

Ein einfaches Beispiel einer mittelbaren Funktion ("Funktion einer Funktion") ist die Funktion



Setzen wir



so wird



eine mittelbare Funktion von x.


Datei:Diffr 07.PNG



Der Differenzenquotient der so genannten inneren Funktion (hier: sin x) ist


der Differenzenquotient der so genannten äußeren Funktion (hier u2) ist



Den Differentialquotienten dy/dx kann man dann schreiben



Dabei muss allerdings vorausgesetzt werden, dass du ungleich 0 ist, d. h. die Kurve der Funktion u(x) darf an der Stelle x0 keine horizontale Tangente haben. Eine detaillierte Untersuchung zeigt aber, dass diese Bedingung rein formaler Natur ist. Es gilt also ohne Einschränkung die so genannte Kettenregel:



Diese Regel gilt auch für beliebig viele "verkettete Funktionen".


Ableitung der Logarithmusfunktion ln x[Bearbeiten]

Es sei f(x) = ln x. Diese Funktion ist für x > 0 überall definiert und stetig.

Dann ist



Wir setzen nun



wobei für n gegen unendlich Δx gegen 0 geht.

Dann wird



und


Nun ist aber



Somit ist



Die Funktion ln x ist für alle x > 0 differenzierbar.


Ableitung der Exponentialfunktion ex[Bearbeiten]

Die Funktion ist für alle reellen Zahlen definiert und stetig. Ihr Wertebereich ist y > 0.

Wir gewinnen diese Ableitung über die Ableitung der Umkehrfunktion. Aus



Also ist



Die Funktion ex ist für alle Werte x differenzierbar.

Wichtige Ableitungen[Bearbeiten]

f(x) ex c*x xc x+c sin(x) cos(x)
f ' (x) ex c c*x(c-1) 1 cos(x) –sin(x)
f ' ' (x) ex 0 c(c-1)x(c-2) 0 –sin(x) –cos(x)
f ' ' ' (x) ex 0 c(c-1)(c-2)x(c-3) 0 –cos(x) sin(x)

Das Taylorpolynom[Bearbeiten]

Sei n-mal differenzierbar im Intervall I, und sei . Dann gilt

mit

Ist sogar (n+1)-mal differenzierbar, so kann man das Restglied(den Fehler) auch schreiben als

mit einem zwischen und . Das Restglied in dieser Darstellung nennt man auch das Lagrangesche Restglied.


Das Taylorpolynom gibt die Möglichkeit, eine mehrfach differenzierbare Funktion in der Umgebung eines Entwicklungspunktes durch ein Polynom zu approximieren & deren Approximationfehler qualitativ/quantitativ abzuschätzen.

Taylorentwicklung von im Entwicklungspunkt  :[Bearbeiten]

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