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Topos Uranos

Anwendungen der Ableitung: Einführung

Zusammenfassung

Diese Lektion eröffnet die letzte Einheit des Kurses, die von dem, was die Ableitung an einer Stelle sagt, zu dem übergeht, was sie auf einem Intervall sagt. Sie stellt den Gang der Einheit vor: Der Satz von Weierstraß sichert, dass eine auf einem abgeschlossenen und beschränkten Intervall stetige Funktion ihr Maximum und ihr Minimum annimmt; der Satz von Fermat lokalisiert sie dort, wo die Ableitung verschwindet; die Sätze von Rolle, Lagrange und Cauchy verwandeln das Vorzeichen der Ableitung in eine Information über ein ganzes Intervall, und aus ihnen gehen die Regel von L’Hospital, die Monotonie, die Kriterien für Extrema, die Konkavität, die Krümmung, die Optimierung und das Newton-Raphson-Verfahren hervor. Sie rekonstruiert die Geschichte dieser Ergebnisse, von Fermats Methode für die Maxima bis zum Satz von Darboux, in einer Reihenfolge, die der der Einheit fast entgegengesetzt ist; sie formuliert das Problem, das die Einheit durchzieht, den Übergang vom Lokalen zum Globalen, und zeigt an einem Beispiel in den rationalen Zahlen, dass dieser Übergang von der Vollständigkeit der reellen Zahlen abhängt. Zum Schluss gibt sie an, wo diese Anwendungen in anderen Kursen der Website und in Wissenschaft und Technik eingesetzt werden.

Lernziele

  1. Den Gang der Einheit beschreiben und erklären, was jede Lektion beweist und auf welche früheren Ergebnisse sie sich stützt.
  2. Erklären, warum globale Schlüsse über eine Funktion, wie die Existenz eines Maximums, die Monotonie oder die Konvergenz eines Verfahrens, außer der Ableitung die Vollständigkeit der reellen Zahlen verlangen.
  3. Die Ergebnisse der Einheit in ihren historischen Zusammenhang einordnen, von Fermats Methode für die Maxima bis zum Satz von Darboux, und die Reihenfolge, in der sie entdeckt wurden, von der Reihenfolge unterscheiden, in der sie bewiesen werden.
  4. Angeben, wo die Anwendungen der Ableitung in anderen Kursen und in wissenschaftlichen und technischen Anwendungen eine Rolle spielen.

Eingangstest

Bevor man die Einheit durcharbeitet, empfiehlt es sich, den Ausgangspunkt zu bestimmen. Diese Selbsteinschätzung wird nicht benotet: Sie dient dazu, zu erkennen, wo man verweilen sollte. Die ersten neun Fragen betreffen der Reihe nach die neun inhaltlichen Lektionen der Einheit, je eine, und messen das Verständnis ihres zentralen Ergebnisses (was es sichert, unter welchen Voraussetzungen, was es nicht sichert), nicht eine Aussage, an die man sich erinnert; dieselben Fertigkeiten werden am Ende, in der Lektion der Synthese, mit anderen Daten erneut gemessen. Die letzten fünf prüfen, was diese Einheit aus den beiden vorigen als bekannt voraussetzt: den Satz von Bolzano, das Vorzeichen der Ableitung an einer Stelle, die zweite Ableitung, das implizite Differenzieren und die äquivalenten unendlich kleinen Größen.

Eingangstest

Miss vor Beginn der Einheit deinen Ausgangspunkt. Es ist eine kurze Selbsteinschätzung: Sie wird nicht benotet, und das Ergebnis wird nur in deinem Browser gespeichert.

  1. Frage 1In welchem dieser Fälle sichert der Satz von Weierstraß, dass die Funktion auf der angegebenen Menge ihren Maximalwert annimmt?

  2. Frage 2Eine Funktion ff ist auf R\mathbb{R} differenzierbar, mit f(0)=1f(0) = 1 und ∣f′(x)∣≤2\abs{f'(x)} \leq 2 für alle xx. Was lässt sich über f(3)f(3) mit Sicherheit sagen?

  3. Frage 3Man berechne lim⁡x→0x2sin⁡1xsin⁡x\lim_{x \to 0} \frac{x^2 \sin\frac{1}{x}}{\sin x}.

  4. Frage 4Ist auf R\mathbb{R} die Funktion f(x)=x+cos⁡xf(x) = x + \cos x streng monoton wachsend?

  5. Frage 5Eine Funktion ff ist stetig auf [0,4]\icc{0}{4} und differenzierbar an jeder Stelle von (0,4)\ioo{0}{4} außer an der Stelle 11, und ihre Ableitung verschwindet nur an der Stelle 33. Gilt f(0)=2f(0) = 2, f(1)=−1f(1) = -1, f(2)=3f(2) = 3, f(3)=5f(3) = 5 und f(4)=4f(4) = 4, welches sind dann ihr globaler Maximalwert und ihr globaler Minimalwert auf [0,4]\icc{0}{4}?

  6. Frage 6Welche Wendepunkte hat f(x)=x5−5x4f(x) = x^5 - 5x^4?

  7. Frage 7Welches ist der Krümmungskreis des Graphen von f(x)=1xf(x) = \frac{1}{x} im Punkt (1,1)(1, 1)?

  8. Frage 8Welche Punkte der Parabel y=x2y = x^2 liegen dem Punkt (0,2)(0, 2) am nächsten?

  9. Frage 9Die Funktion f(x)=ex−3f(x) = e^x - 3 ist auf R\mathbb{R} monoton wachsend und konvex, und ihre Nullstelle ist ln⁡3\ln 3, nahe bei 1,09861{,}0986. Was tun die Newton-Raphson-Iterierten vom Startwert x0=0x_0 = 0 aus?

  10. Frage 10Aus früheren EinheitenEine Funktion ff ist stetig auf [0,1]\icc{0}{1}, mit f(0)=1f(0) = 1 und f(1)=−1f(1) = -1. Was lässt sich mit Sicherheit sagen?

  11. Frage 11Aus früheren EinheitenEine Funktion ff ist auf einem offenen Intervall definiert, das aa enthält, und es gilt f′(a)>0f'(a) > 0. Was lässt sich mit Sicherheit sagen?

  12. Frage 12Aus früheren EinheitenMan berechne f′′(1)f''(1) für f(x)=x2ln⁡xf(x) = x^2 \ln x.

  13. Frage 13Aus früheren EinheitenDie Gleichung x2+xy+y2=3x^2 + xy + y^2 = 3 definiert in der Nähe des Punktes (1,1)(1, 1) eine differenzierbare Funktion y(x)y(x) mit y(1)=1y(1) = 1. Welchen Wert hat y′(1)y'(1)?

  14. Frage 14Aus früheren EinheitenMan berechne lim⁡x→0ln⁡(1+x2)1−cos⁡x\lim_{x \to 0} \frac{\ln\left(1 + x^2\right)}{1 - \cos x}.