Zusammenfassung
Diese Lektion beweist, dass die Umkehrfunktion einer auf einem Intervall stetigen und streng monotonen Funktion an jeder Stelle differenzierbar ist, an der die Funktion eine von null verschiedene Ableitung hat, und dass ihre Ableitung der Kehrwert der Ableitung der Funktion ist, ausgewertet an der zugehörigen Stelle: Spiegelt man den Graphen an der Geraden , so wird eine Tangente mit der Steigung zu einer mit der Steigung . Der Beweis verwendet die Stetigkeit der Umkehrfunktion aus der Lektion über den Zwischenwertsatz und die Carathéodory-Charakterisierung; wo die Ableitung der Funktion verschwindet, ist die Umkehrfunktion nicht differenzierbar. Mit dem Satz werden der Arkussinus, der Arkuskosinus, der Arkustangens, die Umkehrfunktionen der Hyperbelfunktionen, die Wurzeln und die Potenzen mit rationalen Exponenten abgeleitet. Der zweite Teil der Lektion leitet Funktionen ab, die durch eine Gleichung definiert sind, etwa die Äste eines Kreises oder des kartesischen Blattes, unter der Annahme, dass die Funktion existiert und differenzierbar ist, und zeigt, was geschieht, wenn diese Annahme nicht zutrifft.
Lernziele
- Den Satz über die Ableitung der Umkehrfunktion beweisen und erklären, warum die Umkehrfunktion dort nicht differenzierbar ist, wo die Ableitung der Funktion verschwindet.
- Die Arkusfunktionen, die Umkehrfunktionen der Hyperbelfunktionen, die Wurzeln und die Potenzen mit rationalen Exponenten ableiten, jeweils mit der Menge, auf der die Ableitung existiert.
- Eine durch eine Gleichung definierte Funktion implizit differenzieren, unter der Annahme, dass sie existiert und differenzierbar ist, und so die Tangenten an Kurven bestimmen, die keine Funktionsgraphen sind.
- Erkennen, wann das implizite Differenzieren nichts entscheidet: Gleichungen, die keine differenzierbare Funktion definieren, und Stellen, an denen der Koeffizient der Ableitung verschwindet.
Die Ableitung der Umkehrfunktion
Der Graph der Umkehrfunktion einer injektiven Funktion ist das Spiegelbild des Graphen der Funktion an der Geraden : Der Punkt des ersten wird zum Punkt des zweiten. Die Spiegelung vertauscht den waagerechten und den vertikalen Zuwachs, sodass eine Sekante mit der Steigung zu einer Sekante mit der Steigung wird, und dasselbe ist von den Tangenten zu erwarten. Die Lektion über die Ableitungen der elementaren Funktionen hat es in einem Fall beobachtet: Die Tangenten an die Graphen von und von in bezüglich der Geraden symmetrischen Punkten haben zueinander reziproke Steigungen, und .
Eine schnelle Rechnung legt die allgemeine Formel nahe. Wäre differenzierbar, so ergäbe das Ableiten der Gleichung mit der Kettenregel , und man müsste nur noch dividieren. Diese Rechnung setzt aber voraus, was zu beweisen ist, nämlich dass die Umkehrfunktion differenzierbar ist, und sagt nicht, was geschieht, wenn gilt. Der Fall kommt vor: ist an der Stelle differenzierbar, mit verschwindender Ableitung, und ihre Umkehrfunktion, die Kubikwurzel, ist an der Stelle nicht differenzierbar, nach der Proposition über die Stetigkeit ohne Ableitung aus der Lektion über die Ableitung als Grenzwert. Der folgende Satz beweist die Differenzierbarkeit, ohne sie vorauszusetzen, mit der Carathéodory-Charakterisierung, die es erlaubt, den Zuwachs der Umkehrfunktion freizustellen, ohne durch irgendeinen Zuwachs zu dividieren.
Sei eine auf einem Intervall mit mehr als einem Punkt stetige und streng monotone Funktion, und sei . Ist an einer Stelle von differenzierbar und gilt , so ist die Umkehrfunktion an der Stelle differenzierbar, und
Die Carathéodory-Faktorisierung von an der Stelle wird rückwärts gelesen: Die Funktion verschwindet nicht, und ihr Kehrwert, ausgewertet an der Stelle , faktorisiert den Zuwachs der Umkehrfunktion. Die Abbildung zeigt mit und eine Sekante und die Tangente von und danach ihre Spiegelbilder, die eine Sekante und die Tangente der Kubikwurzel sind.
Beweis
Da ein Intervall mit mehr als einem Punkt ist, sind alle seine Punkte Häufungspunkte von . Nach dem Satz über die Charakterisierungen der Ableitung aus der Lektion über die Ableitung als Grenzwert gibt es , stetig an der Stelle , mit , sodass gilt:
Die Funktion verschwindet in keinem Punkt von . An der Stelle hat sie den Wert , der nicht null ist; ist , so liefert die strenge Monotonie , und ist der Differenzenquotient, der ebenfalls nicht null ist.
Sei aus , und sei , sodass und gilt. Man dividiert die Faktorisierung durch , das nicht null ist: Der Zuwachs der Umkehrfunktion ist faktorisiert, und es wurde durch keinen Zuwachs dividiert.
Nach den Korollaren über das Bild eines Intervalls und über die Stetigkeit der Umkehrfunktion aus der Lektion über den Zwischenwertsatz ist ein Intervall, mit mehr als einem Punkt, weil injektiv ist, und ist stetig an der Stelle . Da an der Stelle stetig ist, ist nach den Sätzen über die Verkettung stetiger Funktionen und über Operationen mit stetigen Funktionen aus der Lektion über Grenzwert und Stetigkeit der Faktor an der Stelle stetig. Da ein Häufungspunkt von ist, liefert die Carathéodory-Charakterisierung die Ableitung.
Die Stetigkeit von auf ganz wird verlangt, damit die Umkehrfunktion an der Stelle stetig ist, was den Grenzübergang im letzten Teil des Beweises erlaubt. Ist auf ganz differenzierbar und verschwindet ihre Ableitung nicht, so ist die Umkehrfunktion auf ganz differenzierbar, und die Gleichung schreibt sich zwischen Funktionen: . Die Ableitung von wird an der Stelle ausgewertet, nicht an der Stelle . Ist und , so besagt der Satz in Leibniz-Notation, dass , wobei die Ableitung im Nenner an der Stelle ausgewertet wird. Wie bei der Kettenregel sieht die Formel wie eine Regel der Bruchrechnung aus und ist keine. Ist die Differenzierbarkeit einmal bewiesen, so ist die schnelle Rechnung vom Anfang, die mit der Kettenregel ableitet, eine legitime Art, sich die Formel zu merken.
Sei eine auf einem Intervall mit mehr als einem Punkt stetige und streng monotone Funktion. Ist an einer Stelle von differenzierbar und gilt , so ist an der Stelle nicht differenzierbar. Wäre sie es, so ergäbe die Kettenregel, angewandt auf die Identität , die Gleichung .
Beweis
Angenommen, ist an der Stelle differenzierbar. Die Funktion ist auf definiert und an der Stelle differenzierbar, die ein Häufungspunkt von ist, und ihre Werte liegen in , wo definiert ist. Nach der Kettenregel aus der Lektion über die Kettenregel gilt:
Aber ist die Identität auf , deren Ableitung in jedem Punkt ist, wie in der Lektion über die Ableitung als Grenzwert gezeigt wurde. Der Widerspruch zeigt, dass an der Stelle nicht differenzierbar ist.
Man kann mehr sagen. Ist , so verwendet der dritte Teil des Beweises des Satzes nur, dass außerhalb von nicht verschwindet, und er gilt auch dann, wenn ist: Der Differenzenquotient der Umkehrfunktion ist , und der Nenner strebt wegen der Stetigkeit der Verkettung gegen . Ist monoton wachsend, so ist der Nenner positiv, und der Quotient strebt gegen ; ist sie monoton fallend, so strebt er gegen . Der Graph der Umkehrfunktion hat in eine vertikale Tangente, das Spiegelbild der waagerechten Tangente von in , wie die Kubikwurzel im Ursprung.
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