Analysis
Ableitung von e-Funktion, Sinus und Kosinus
Die besonderen Ableitungen: die e-Funktion als ihre eigene Ableitung und der sin-cos-Kreislauf.
Benötigte Grundlagen
Diese Themen kommen in diesem Kapitel vor und wurden vorher schon erklärt. Wenn dir eines davon unsicher vorkommt, frisch es kurz auf, sonst leg direkt los.
Einführung
Gibt es eine Funktion, die sie selbst bleibt? Ja, die -Funktion! Sie ist die Königin der Analysis, weil sie ihre eigene Änderungsrate ist: Wachstum, das exakt so schnell wächst, wie es gerade groß ist. Dazu drehen sich und beim Ableiten im . Diese speziellen Ableitungen begleiten dich durch die ganze Oberstufe.
Das kannst du nach diesem Kapitel
die e-Funktion und ihre besondere Ableitungseigenschaft nutzen ().
und und den „Ableitungskreislauf" kennen.
diese Ableitungen mit Faktor- und Summenregel kombinieren.
Ableitungen der e-Funktion in Wachstumsmodellen interpretieren.
Die e-Funktion: die Funktion, die sich selbst ableitet
Bisher konntest du . Wie sieht es mit wie aus, die du aus Klasse 10 kennst? Hier hilft die Potenzregel nicht, bei ihr steht das unten, hier steht es oben. Das sind völlig verschiedene Bauarten.
Ein Blick auf das Wachstum
Untersucht man die Ableitung von genauer, zeigt sich etwas Bemerkenswertes: Sie ist wieder dieselbe Funktion, nur mit einem Vorfaktor.
Das ist plausibel, wenn man daran denkt, was Exponentialfunktionen auszeichnet: Sie wachsen zu ihrem eigenen Bestand. Je größer der Wert, desto schneller wächst er, genau das sagt eine Ableitung aus, die ein der Funktion selbst ist.
Die naheliegende Frage
Bei der Basis ist der Vorfaktor kleiner als , bei der Basis größer. Gibt es dann nicht eine Basis dazwischen, bei der er genau ist?
Ja, und diese Zahl ist so bedeutend, dass sie einen eigenen Namen bekommen hat:
Sie heißt eulersche Zahl und ist wie : unendlich viele Dezimalstellen ohne Muster. Mit ihr gilt:
Was das bedeutet
Die e-Funktion reproduziert sich beim Ableiten. An jeder Stelle ist ihre genau so groß wie ihr Funktionswert:
- Bei ist , also hat die dort die Steigung .
- Wo die Funktion den Wert hat, steigt sie mit der Steigung .
Das siehst du im Bild unten: Die eingezeichnete Tangente im Punkt steigt pro Schritt nach rechts genau um , so hoch, wie der Punkt liegt. Unter allen Exponentialfunktionen ist die e-Funktion die einzige mit dieser Eigenschaft.
Und deshalb ist überhaupt eingeführt worden: Nicht aus Willkür, sondern weil diese Basis das Rechnen radikal vereinfacht. Alle anderen Exponentialfunktionen schleppen beim Ableiten einen Faktor mit, die e-Funktion nicht. In der gesamten Oberstufe, in der Physik und in jedem Wachstumsmodell rechnet man deshalb mit ihr.
Mit der Faktorregel folgt außerdem sofort: . Auch ein Vorfaktor bleibt unverändert stehen, die Vielfachen der e-Funktion erben die Eigenschaft also mit (für ist das die Nullfunktion). Tatsächlich sind sie die einzigen Funktionen überhaupt, für die gilt; dass keine weitere hinzukommt, beweisen wir hier nicht.
e-Funktion: f' = f
Die -Funktion ist ihre eigene : An jeder Stelle ist die Tangentensteigung genau gleich dem Funktionswert. Die eingezeichnete (blau) im Punkt zeigt es: Ihr Anstieg ist , genau die Höhe des Punktes. Deshalb modelliert ungebremstes Wachstum.
Erkläre es selbst: Eine Bakterienkultur hat zur Stunde t genau 100 mal e hoch t Bakterien. Die Ableitung ist dieselbe Funktion. Was heißt das anschaulich für das Wachstum?
Formuliere es erst selbst, ein Satz, in dem eine Einheit vorkommt.
hat die (Faktorregel + e-Funktion). Und ist die momentane Änderungsrate des Bestands, ihre Einheit: Bakterien pro Stunde (Änderungsraten-Kapitel).
Die heißt also: In jedem Moment kommen pro Stunde gerade so viele Bakterien hinzu, wie aktuell vorhanden sind. Bei Bakterien wächst die Kultur momentan mit Bakterien pro Stunde, bei mit , je größer der Bestand, desto schneller das Wachstum.
Vorsicht vor der Fehldeutung „wächst immer gleich schnell": Gleich bleibt nicht das Tempo, sondern das Verhältnis von Tempo und Bestand. Genau das macht so explosiv, und zur natürlichen Basis der Wachstumsmodelle.
Deine Formulierung darf ganz anders lauten, entscheidend ist der Gedanke „Wachstumstempo = aktueller Bestand".
Der Sinus-Kosinus-Kreislauf
Warum das plausibel ist
Diese Regeln kann man am Graphen nachvollziehen, und das lohnt sich, weil man sie sich dann nicht merken muss.
Schau dir die Sinuskurve an und frage nach ihrer :
- Bei steigt sie am steilsten. Und ist der größte Wert des ✓
- Bei hat sie ihren , die ist waagerecht. Und ✓
- Danach fällt sie, die Steigung ist negativ. Und der Kosinus ist dort negativ ✓
Die Kosinuskurve beschreibt also genau die Steigungen der Sinuskurve. Das Bild unten zeigt beide übereinander, vergleiche gezielt Hochpunkte mit .
Woher das Minus kommt
Dieselbe Überlegung für den Kosinus: Bei hat er seinen Hochpunkt, die Steigung ist null, passt zu . Kurz danach fällt er, die Steigung ist also negativ. Der ist dort aber positiv. Deshalb braucht es das Minuszeichen.
Dieses Minus wird am häufigsten vergessen. Merke dir: Beim von kommt ein Minus dazu, beim Ableiten von nicht.
Der Kreislauf
Leitet man immer weiter ab, dreht man sich im :
Nach vier Ableitungen bist du wieder am Start. Das ist praktisch bei Aufgaben wie „Bestimme die . Ableitung": Weil durch ist, ist sie identisch mit der Ausgangsfunktion.
Und inhaltlich? Dieser Kreislauf ist der Grund, warum Sinus und Kosinus Schwingungen beschreiben: Eine Größe, deren zweite Ableitung ihr eigenes Negatives ist, schwingt, genau das passiert bei einer Feder oder einem Pendel.
Ableitung von Sinus
: Wo die Sinuswelle (rot) am steilsten steigt (bei ), hat der (blau) seinen Höchstwert ; wo ein Maximum hat, ist . Weiter gilt , das Minus nicht vergessen!
Kombinieren mit den Grundregeln
Die neuen ersetzen die alten Regeln nicht, sie ergänzen sie. Faktor- und Summenregel gelten unverändert weiter. Du gehst also wie gewohnt für Term vor und wendest bei jedem die passende Regel an.
Nimm dir die drei Summanden einzeln vor:
- : Die e-Funktion bleibt sich selbst, der Faktor bleibt stehen →
- : Aus wird , der Faktor bleibt →
- : Aus wird , also →
Achte auf den dritten Term: Aus einem Plus wird hier ein Minus, weil die Ableitung des selbst ein Minuszeichen mitbringt. Genau dort passieren die meisten Vorzeichenfehler.
Eine Übersicht aller Grundableitungen, die du jetzt kennst:
| (konstant) | |
Mit Faktor-, Summen- und lässt sich daraus fast alles ableiten, was dir in Klasse 11 begegnet.
Gemischte Ableitung
Leite ab:
- 1
Wie gehst du an so einen heran? Er besteht aus drei Summanden mit verschiedenen Funktionstypen. Dank der Summenregel darfst du jeden einzeln , du brauchst also nur für jeden Summanden die passende Grundableitung.
Die drei, die hier vorkommen:
- 2
Erster Summand: . Die e-Funktion bleibt beim Ableiten sich selbst, der Faktor bleibt nach der Faktorregel stehen:
Dieser Summand ändert sich also überhaupt nicht, die auffälligste Eigenschaft der e-Funktion.
- 3
Zweiter Summand: . Aus wird , die bleibt:
- 4
Dritter Summand: . Hier ist Vorsicht geboten. Die Ableitung von ist , bringt also selbst ein Minus mit. Zusammen mit dem vorhandenen Minus ergibt das ein Plus:
Das ist die häufigste Fehlerquelle des ganzen Kapitels. Rechne das Vorzeichen bewusst aus, statt es zu übernehmen: minus mal minus ergibt plus.
- 5
Zusammensetzen.
Vergleiche die Vorzeichen mit dem Ausgangsterm: Aus ist geworden, das Vorzeichen hat sich umgedreht, weil die Kosinus-Ableitung ein Minus erzeugt. Bei passiert das nicht.
Merke: wird zu (ohne Vorzeichenwechsel), wird zu (mit Vorzeichenwechsel), bleibt. Bei einem Minus vor dem entsteht deshalb ein Plus.
Mehrfaches Ableiten von cos
Bestimme die ersten vier von .
- 1
Was hier passiert. Wir wenden dieselbe Regel viermal hintereinander an. Jede Ableitung ist die Ausgangsfunktion für die nächste, und dabei zeigt sich ein Muster, das du für Aufgaben wie „bestimme die . Ableitung" brauchst.
Nötig sind nur die beiden Grundableitungen und .
- 2
Erste Ableitung. Direkt die Kosinus-Regel:
- 3
Zweite Ableitung. Jetzt leiten wir ab. Die Ableitung von ist ; das Minus bleibt als Faktor davor stehen:
- 4
Dritte Ableitung. Wir leiten ab. Die Ableitung von ist , und mit dem vorhandenen Minus:
Wieder das doppelte Minus, genau wie im vorigen Beispiel. Hier entsteht daraus ein positives .
- 5
Vierte Ableitung. Wir leiten ab:
Das ist die Ausgangsfunktion. Wir sind nach vier Schritten wieder am Start.
- 6
Das Muster nutzen. Der Kreislauf schließt sich nach vier Ableitungen:
Wozu das gut ist: Für höhere Ableitungen musst du nicht durchrechnen, sondern nur durch teilen und den Rest betrachten. Die . Ableitung? Rest , also dasselbe wie die zweite Ableitung, nämlich .
· · ·
Der Kreislauf schließt sich nach vier Schritten. Bei hohen Ableitungen genügt daher der Rest bei Division durch .
Steigung der e-Funktion
Welche hat der Graph von an der Stelle ? Und bei ?
- 1
Was ist gesucht? Die Steigung an zwei bestimmten Stellen, also der Wert der dort. Nicht der Funktionswert, sondern die Steilheit der .
- 2
Die Ableitung bestimmen. Bei der e-Funktion ist dieser Schritt besonders kurz:
Ableitung und Funktion sind identisch. Das ist die definierende Eigenschaft der e-Funktion.
- 3
Steigung bei . Einsetzen in :
Denn jede Zahl hoch ergibt (das hast du in Klasse 10 hergeleitet).
Was das anschaulich bedeutet: Der Graph von geht durch den Punkt und steigt dort mit der Steigung genau , also im -. Das ist ein guter Merkpunkt beim Skizzieren.
- 4
Steigung bei .
Bei steigt die Kurve also schon fast dreimal so steil wie bei .
- 5
Den Zusammenhang erkennen, darum geht es in dieser Aufgabe. Vergleiche jeweils Höhe und Steigung:
Stelle Funktionswert Steigung An jeder Stelle ist die Steigung genau so groß wie die Höhe des Graphen. Je höher die Kurve steigt, desto steiler wird sie, und genau das erzeugt das explosionsartige Wachstum der e-Funktion.
Bei beträgt die Steigung , bei etwa .
Die Kernaussage: Bei ist die Steigung an jeder Stelle gleich dem Funktionswert. Nur die teilen diese Eigenschaft, deshalb ist als Basis so bedeutend.
Typischer Fehler
Das Minuszeichen fehlt: ! Merkhilfe über den Graphen: Bei hat der seinen Höchstpunkt, direkt danach fällt er, seine ist dort also negativ. ist direkt nach aber positiv und würde den Graphen steigen lassen; ist dort negativ und liefert das korrekte Fallen. Der dagegen behält beim sein Vorzeichen: .
Übung 1
leichtLeite ab: a) b) c)
Tipp anzeigen
Konstante fällt weg, Minus bei cos.
Lösung anzeigen
a)
b)
c)
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
a) Summand für Summand
: Summenregel, jeden Summanden einzeln : , → .
- 2
b) Faktor bleibt, Kosinus kippt
: Faktorregel, die bleibt stehen; → .
- 3
c) Konstante verschwindet
: , die Konstante hat Ableitung → .
Übung 2
mittelBestimme und von .
Tipp anzeigen
Zweimal , Kreislauf beachten.
Lösung anzeigen
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Erste Ableitung
: .
- 2
Zweite Ableitung
.
- 3
Struktur-Check
Kontrolle: In hat sich nur der trigonometrische Summand verändert (), der -Anteil ist stabil geblieben, genau wie es die Grundableitungen vorhersagen.
Übung 3
schwerGegeben . Leite mit der ab und vereinfache.
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, , beide „speziell"!
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, ; ,
Hier ist die Produktregel Pflicht: Ausmultiplizieren geht bei nicht!
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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Warum hier die Produktregel Pflicht ist
ist ein PRODUKT zweier echter Funktionen, ausmultiplizieren geht nicht, es gibt keine - oder Summenform. Es bleibt nur die Produktregel .
- 2
Bausteine benennen und einsetzen
, ; , . Dann: .
- 3
Ausklammern und vereinfachen
Beide Summanden enthalten : .
Zusammenfassung
Drei zum Auswendigkennen: (die e-Funktion ist ihre eigene Ableitung), und (der Vierer-Kreislauf mit dem tückischen Minus). Kombiniert mit Faktor-, Summen- und deckst du damit alle Funktionsklassen des Grundkurses ab.


