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Didaktik der Mathematik der Sekundarstufe II 6. Ableitungsregeln

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Academic year: 2023

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(1)

Didaktik der Mathematik der Sekundarstufe II

6. Ableitungsregeln

H. Rodner, G. Neumann

Humboldt-Universität zu Berlin, Institut für Mathematik

Sommersemester 2010/11

Internetseite zur Vorlesung:

http://www.mathematik.hu-berlin.de/˜neumann/

H. Rodner, G. Neumann Humboldt-Universität Didaktik der Mathematik der Sekundarstufe II, Teil 6 Sommersemester 2010/11

(2)

Didaktik der Mathematik der Sekundarstufe II

Differentialrechnung

Hausaufgabe

Die Kettenregel

H. Rodner, G. Neumann Humboldt-Universität Didaktik der Mathematik der Sekundarstufe II, Teil 6 Sommersemester 2010/11

(3)

Hausaufgabe

Skizzieren Sie eine Einführungsstunde zum Thema Ableitung der Exponentialfunktion

mit dem Ziel der Einführung der Exponentialfunktion zur Basis e.

H. Rodner, G. Neumann Humboldt-Universität Didaktik der Mathematik der Sekundarstufe II, Teil 6 Sommersemester 2010/11

(4)

Die Kettenregel

Wie kann die Kettenregel eingeführt werden?

H. Rodner, G. Neumann Humboldt-Universität Didaktik der Mathematik der Sekundarstufe II, Teil 6 Sommersemester 2010/11

(5)

Die Kettenregel

Ermitteln Sie die Ableitung von f (x) = (x 2 ) 3

I über bekannte Ableitungsregeln

I über die Ableitungen der verketteten Funktionen

H. Rodner, G. Neumann Humboldt-Universität Didaktik der Mathematik der Sekundarstufe II, Teil 6 Sommersemester 2010/11

(6)

Die Kettenregel

Stellen Sie möglichst viele Zusammenhänge zwischen den Funktionstermen her.

H. Rodner, G. Neumann Humboldt-Universität Didaktik der Mathematik der Sekundarstufe II, Teil 6 Sommersemester 2010/11

(7)

Die Kettenregel: Beweis

Wir betrachten den Differenzenquotienten für f(x) = u(v(x)) mit den differenzierbaren Funktionen u, v :

Zu zeigen ist f 0 (x) = u 0 (v(x)) · v 0 (x) f(x) − f(x 0 )

x − x 0 = u(v(x)) − u(v(x 0 )) x − x 0

H. Rodner, G. Neumann Humboldt-Universität Didaktik der Mathematik der Sekundarstufe II, Teil 6 Sommersemester 2010/11

(8)

Die Kettenregel: Beweis

Multiplikation des Differenzenquotienten mit v(x)−v(x v(x)−v(x

0

)

0

)

Voraussetzung???

v(x) − v(x 0 ) 6= 0 in einer hinreichend kleinen Umgebung von x 0

H. Rodner, G. Neumann Humboldt-Universität Didaktik der Mathematik der Sekundarstufe II, Teil 6 Sommersemester 2010/11

(9)

Die Kettenregel: Beweis

Multiplikation des Differenzenquotienten mit v(x)−v(x v(x)−v(x

0

)

0

)

Voraussetzung???

v(x) − v(x 0 ) 6= 0 in einer hinreichend kleinen Umgebung von x 0

H. Rodner, G. Neumann Humboldt-Universität Didaktik der Mathematik der Sekundarstufe II, Teil 6 Sommersemester 2010/11

(10)

Die Kettenregel: Beweis

f (x) − f (x 0 )

x − x 0 = u(v(x)) − u(v(x 0 ))

v(x) − v(x 0 ) · v(x) − v(x 0 ) x − x 0

Da die innere Funktion v differenzierbar ist, ist sie auch stetig, daher geht für x → x 0 auch v(x) gegen v(x 0 ) und

- mit den Grenzwertsätzen für den Grenzwert von Produkten - gilt:

f 0 (x) = u 0 (v(x)) · v 0 (x)

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(11)

Die Kettenregel: Aufgaben

f(x)=u(v(x)) v(x) u(v) v’(x) u’(v) u’(v(x)) f’(x) (5x − 1) 3 5x − 1 v 3 5 3v 2 3(5x − 1) 2 15(5x − 1) 2

2x + 3 v 2

2

(2x+1)

2

2v −2

cos(2x √ + 1) 5 − x 2

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Die Kettenregel: Aufgaben

Für den Grundkurs: Binnendifferenzierung! Für schwache Schüler:

Reaktivierung der Potenzschreibweise für Wurzeln und Brüche in Form von Vorübungen!

H. Rodner, G. Neumann Humboldt-Universität Didaktik der Mathematik der Sekundarstufe II, Teil 6 Sommersemester 2010/11

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Die Kettenregel: Aufgaben

I Ableitung mit Kettenregel- Vergleich mit dem CAS

I Funktionen mit Parameter

I Kombination mit Produktregel

I Funktionen mit mehr als einer Verkettung, z.B.

f (x) = ( √

x 2 + 1 + x) 2

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Die Kettenregel: Anwendungsaufgabe

In einen kegelförmigen Behälter mit dem Radius R = 10 cm und der Höhe H = 30 cm werden pro Sekunde 20 cm 3 Wasser gefüllt. Die Höhe des Wasserspiegels und das Volumen des Wassers hängen also von der Zeit ab.

a) Ermitteln Sie die Zuordnung h(t) → V (t).

b) Während des Füllvorgangs steigt der Wasserspiegel unterschiedlich schnell.

Wie schnell steigt dieser in dem Augenblick, in dem das Wasser im Behälter 5 cm hoch steht?

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(15)

Die Kettenregel: Lösung der Anwendungsaufgabe a)

Für das Volumen in Abhängigkeit der Zeit in Sekunden sowie für r Radius der Wasseroberfläche im Kegel

und h Höhe des Wasserstands - ebenfalls abhängig von der Zeit - in cm gilt:

V(h(t)) = 1 3 πr 2 h

Außerdem gilt H R = 10 30 nach Voraussetzung für den Kegel mit Höhe H und Radius R. Mit dem Strahlensatz und H R = r h folgt: r = h 3 Dann ist

V(h(t)) = π

27 (h(t)) 3

H. Rodner, G. Neumann Humboldt-Universität Didaktik der Mathematik der Sekundarstufe II, Teil 6 Sommersemester 2010/11

Referenzen

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