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Anwendung der Ableitung

Die Ableitung zeigt, wie schnell sich eine Größe im Vergleich zu einer anderen ändert. Ihr Vorzeichen verrät, ob eine Funktion steigt (f′ > 0, wachsend) oder fällt (f′ < 0, fallend). Wo f′ = 0 ist, verläuft die Tangente waagrecht: Solche kritischen Stellen können ein lokales Maximum oder Minimum sein. Man prüft sie mit dem Vorzeichenwechsel von f′ (erste Ableitung) oder dem Vorzeichen von f″ (zweite Ableitung). So lösen wir echte Aufgaben wie die größte Schachtel oder den günstigsten Tank.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Änderungsrate: f′(x) zeigt, wie schnell sich y ändert, wenn x ein kleines Stück wächst. Lies die Steigung des wandernden Punktes auf y = x³ − 3x ab.
  2. Wo f′(x) > 0 ist, steigt die Kurve: grün, wachsend. Wo f′(x) < 0 ist, fällt sie: rot, fallend.
  3. Kritische Stellen sind Punkte mit f′(x) = 0, die Tangente liegt flach. Erster Test: Plus dann Minus heißt Maximum, Minus dann Plus heißt Minimum.
  4. Zweiter Test: f″ < 0 bedeutet eine umgedrehte Schüssel, also ein Maximum. f″ > 0 bedeutet eine Schüssel, also ein Minimum.
  5. Echte Aufgabe: Schneide aus den Ecken eines quadratischen Blechs mit 12 cm Seite Quadrate der Seite x cm aus und falte eine Schachtel. Das Volumen ist bei x = 2 am größten.
  6. Du bist dran: Ändere a in y = x³ − ax, verschiebe x und lies Steigung und Krümmung ab.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Was bedeutet Änderungsrate eigentlich?

Sie sagt, wie stark sich y bei einem winzigen Schritt in x ändert, umgerechnet auf eine Einheit. Der wandernde Punkt zeigt sie als Steigung: steil heißt schnelle Änderung.

Kann eine Funktion wachsend sein und trotzdem irgendwo f′ = 0 haben?

Ja, an einzelnen Punkten. x³ wächst überall, obwohl f′(0) = 0 ist. Der Graph wird kurz flach, kehrt aber nie um.

Woher weiß ich, ob es ein Maximum und kein Minimum ist?

Schau auf f′ kurz davor und danach. Auf der Kurve geht die Steigung bei x = −1 von positiv (steigend) zu negativ (fallend), also ist es ein Gipfel.

Warum bedeutet f″ < 0 ein Maximum?

f″ < 0 heißt, dass die Steigung abnimmt. Oben auf einem Hügel geht die Steigung von positiv über null zu negativ, sie nimmt also ständig ab: eine umgedrehte Schüssel.

Warum verwerfen wir x = 6 bei der Schachtel-Aufgabe?

Wenn man aus jeder Ecke eines 12-cm-Blechs 6 cm abschneidet, bleibt kein Boden übrig (12 − 2×6 = 0), das Volumen ist also 0. Der Graph berührt dort die Null.

Was passiert, wenn es keine kritischen Stellen gibt?

Wähle im freien Spiel für a eine negative Zahl. Dann ist f′ = 3x² − a immer positiv, die Kurve steigt immer und hat kein lokales Maximum oder Minimum.

Änderungsrate von Größen

Wenn y von x abhängt, ist dy/dx die Änderungsrate von y bezüglich x. An der Stelle x = a schreiben wir (dy/dx) bei a oder f′(a).

Ändern sich x und y beide mit der Zeit t, nutzen wir die Kettenregel: dy/dt = (dy/dx) × (dx/dt).

Beispiel: Der Radius eines Kreises wächst mit 0.5 cm/s. Die Fläche ist A = πr², also dA/dt = 2πr × dr/dt. Bei r = 4 cm ist dA/dt = 2π(4)(0.5) = 4π cm²/s.

Auch Grenzkosten und Grenzerlös in der Wirtschaft sind Ableitungen: die Änderung von Kosten oder Erlös für einen weiteren Artikel.

Wachsende und fallende Funktionen

Auf einem Intervall, in dem f differenzierbar ist, gilt:

So findest du die Intervalle

  1. Bilde f′(x) und löse f′(x) = 0.
  2. Diese Punkte teilen die Zahlengerade in Intervalle.
  3. Prüfe das Vorzeichen von f′ in jedem Intervall.

Für f(x) = x³ − 3x: f′ = 3(x − 1)(x + 1). Wachsend auf (−∞, −1) und (1, ∞), fallend auf (−1, 1).

Maxima und Minima

Ein lokales Maximum ist ein Punkt, der höher liegt als alle Punkte in seiner Nähe; ein lokales Minimum liegt tiefer als alle Punkte in seiner Nähe. An so einem Punkt gilt (wenn die Funktion dort glatt ist) f′(c) = 0. Punkte mit f′(c) = 0 oder mit nicht definiertem f′ heißen kritische Stellen.

Test mit der ersten Ableitung

Test mit der zweiten Ableitung

Absolutes (globales) Maximum und Minimum auf [a, b]

Finde alle kritischen Stellen in [a, b], berechne f an diesen Stellen und an den Rändern a und b. Der größte Wert ist das absolute Maximum, der kleinste das absolute Minimum.

Aufgaben aus dem Alltag

  1. Benenne die Größe, die am größten oder kleinsten werden soll (Volumen, Fläche, Kosten).
  2. Schreibe sie mithilfe der gegebenen Bedingung mit einer Variablen.
  3. Leite ab, setze die Ableitung gleich 0 und löse.
  4. Prüfe mit der zweiten (oder ersten) Ableitung, ob es ein Maximum oder Minimum ist.
  5. Beantworte die Frage mit Einheit.

Schachtel-Beispiel: V = x(12 − 2x)², dV/dx = 12(x − 2)(x − 6). x = 6 ergibt keine Schachtel, also x = 2; V″(2) = −48 < 0, ein Maximum von 128 cm³.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Die Seite eines Quadrats wächst mit 3 cm/s. Wie schnell wächst die Fläche, wenn die Seite 10 cm lang ist?

A = x², dA/dt = 2x·dx/dt = 2(10)(3) = 60 cm²/s.

2. Der Radius eines Ballons wächst mit 2 cm/s. Bestimme die Änderungsrate des Volumens bei r = 5 cm.

V = (4/3)πr³, dV/dt = 4πr²·dr/dt = 4π(25)(2) = 200π cm³/s.

3. Die Kosten für x Artikel sind C(x) = 0.5x² + 10x + 100. Bestimme die Grenzkosten bei x = 20.

C′(x) = x + 10. C′(20) = 30. Der 21. Artikel kostet etwa ₹30 mehr.

4. Bestimme die Intervalle, in denen f(x) = x² − 4x + 1 wächst oder fällt.

f′(x) = 2x − 4 = 0 bei x = 2. Für x < 2 ist f′ < 0 (fallend); für x > 2 ist f′ > 0 (wachsend).

5. Bestimme die lokalen Maxima und Minima von f(x) = 2x³ − 9x² + 12x + 1.

f′ = 6x² − 18x + 12 = 6(x − 1)(x − 2) = 0 → x = 1, 2. f″ = 12x − 18. f″(1) = −6 < 0 → lokales Maximum f(1) = 6. f″(2) = 6 > 0 → lokales Minimum f(2) = 5.

6. Bestimme das absolute Maximum und Minimum von f(x) = x³ − 3x auf [0, 3].

Kritische Stelle im Intervall: x = 1 (x = −1 liegt außerhalb). f(0) = 0, f(1) = −2, f(3) = 18. Absolutes Maximum 18 bei x = 3, absolutes Minimum −2 bei x = 1.

7. Zwei positive Zahlen haben die Summe 20. Bestimme sie so, dass ihr Produkt am größten ist.

Die Zahlen sind x und 20 − x. P = 20x − x². P′ = 20 − 2x = 0 → x = 10. P″ = −2 < 0 → Maximum. Die Zahlen sind 10 und 10, das Produkt ist 100.

8. Ein Rechteck hat den Umfang 40 m. Zeige, dass seine Fläche am größten ist, wenn es ein Quadrat ist.

Seiten x und 20 − x, A = 20x − x², A′ = 20 − 2x = 0 → x = 10, A″ = −2 < 0. Beide Seiten 10 m: ein Quadrat mit der Fläche 100 m².

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Wenn f′(x) > 0 auf einem Intervall gilt, dann ist f:
2. An einem lokalen Maximum einer glatten Funktion wechselt f′ von:
3. Wenn f′(c) = 0 und f″(c) = 5 ist, dann ist c ein:
4. A = πr². Wenn dr/dt = 1 cm/s ist, dann ist dA/dt bei r = 3:
5. f(x) = x² hat sein Minimum bei:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Welche Themen gehören zur Anwendung der Ableitung in Klasse 12?

Änderungsrate, wachsende und fallende Funktionen, Maxima und Minima mit dem Test der ersten und zweiten Ableitung sowie Extremwertaufgaben aus dem Alltag.

Was ist leichter, der Test mit der ersten oder der zweiten Ableitung?

Der Test mit der zweiten Ableitung geht schneller, wenn f″ leicht zu finden und nicht null ist. Ist f″(c) = 0, nimm den Test mit der ersten Ableitung.

Was ist der Unterschied zwischen lokalem und absolutem Maximum?

Ein lokales Maximum ist der höchste Punkt in seiner Nähe. Das absolute Maximum ist der höchste Wert im ganzen Intervall, einschließlich der Randpunkte.

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