Differenzenquotient und Ableitung

Difference Quotient and Derivative

Mathematik Klasse 11 14 Aufgaben
AnalysisAbleitungenKerncurriculum

Die zweite Grundvorstellung der Ableitung neben der Tangentensteigung: die lokale Änderungsrate (Greefrath u. a. 2016). Mittlere Änderungsraten in Sachkontexten (Geschwindigkeit, Wasserstand, Temperatur) werden als Differenzenquotient gedeutet, der Grenzübergang h → 0 macht daraus die momentane Rate f′(x₀) — samt Einheiten-Deutung („cm pro Minute zum Zeitpunkt t"). Zielscheibe ist der von Orton (1983) dokumentierte Befund, dass Lernende Ableitungen berechnen können, ohne sie als Änderungsrate deuten zu können, und die Verwechslung von Bestand f(x₀) und Rate f′(x₀).

Du hast gelernt, wie man die Steigung der Tangente an einer bestimmten Stelle bestimmt — durch den Grenzübergang .

In der Differentialrechnung geht es darum, geschlossene Formeln dafür zu finden, ohne jedes Mal den Grenzübergang durchführen zu müssen. Für gibt dieselbe Rechnung wie bei an einer beliebigen Stelle x den Quotienten , und für bleibt . Das ist die Ableitungsfunktion ; an der Stelle 2 liefert sie wieder 4. Der Weg von der Sekante zur Tangente ist der Weg vom Differenzenquotienten zum Differentialquotienten — und die Ableitungsregeln liefern ihn direkt.

Leicht
Multiple Choice #1 15s ▶ Testen

Ein Auto fährt in 2 Stunden 160 km weit. Was sagt der Differenzenquotient 160 km / 2 h = 80 km/h aus?

  • ● Die mittlere Geschwindigkeit über die gesamten 2 Stunden.
  • ○ Die Geschwindigkeit des Autos zu jedem Zeitpunkt der Fahrt.
  • ○ Die Geschwindigkeit genau nach einer Stunde Fahrt.
Der Differenzenquotient ist eine mittlere Änderungsrate — unterwegs kann das Auto mal schneller, mal langsamer gewesen sein.
Wahr / Falsch #2 15s ▶ Testen

Die Sekante durch die Graphenpunkte (1|5) und (4|11) einer Funktion f hat die Steigung 2. Dann ist 2 auch die mittlere Änderungsrate von f auf [1; 4].

✓ Wahr
Richtig — mittlere Änderungsrate und Sekantensteigung sind zwei Sichtweisen auf denselben Differenzenquotienten (11 − 5)/(4 − 1) = 2.
Lückentext #3 12s ▶ Testen

Der Differenzenquotient von f auf dem Intervall [a; b] lautet: (f(b) − f(a)) / ___.

✓ Antwort: b − a
Änderung der Funktionswerte geteilt durch Änderung der x-Werte — „Δy durch Δx".
Multiple Choice #4 20s ▶ Testen

f(x) = x². Wie groß ist die mittlere Änderungsrate auf dem Intervall [1; 3]?

  • ● 4
  • ○ 8
  • ○ 2
(f(3) − f(1)) / (3 − 1) = (9 − 1) / 2 = 4. Wer 8 erhält, hat nur Δy berechnet und nicht durch Δx geteilt; 2 ist nur Δx.
Wahr / Falsch #5 12s ▶ Testen

Für die Höhe s(t) eines Bambus (in cm, t in Tagen) gilt s′(10) = 4. Damit wächst der Bambus am Tag 10 momentan mit 4 cm pro Tag.

✓ Wahr
Richtig — die Ableitung s′(10) ist die momentane (lokale) Änderungsrate an der Stelle t = 10, nicht die Höhe s(10) selbst.
Wahr / Falsch #6 15s ▶ Testen

Eine Läuferin schafft 10 km in 50 Minuten. Damit kennt man ihre Geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt des Laufs.

✓ Falsch
Falsch. 10 km / 50 min ist nur der Durchschnitt. Für die momentane Geschwindigkeit braucht man immer kleinere Zeitabschnitte — genau dafür gibt es die Ableitung.
Multiple Choice #7 15s ▶ Testen

Für f(x) = x³ gilt an der Stelle x₀ = 1 der Differenzenquotient (f(1 + h) − f(1))/h = 3 + 3h + h². Welchen Wert hat f′(1)?

  • ● 3
  • ○ 0
  • ○ 1
Beim Grenzübergang h → 0 wird aus 3 + 3h + h² der Wert 3 — der Differentialquotient. Der Quotient wird nicht 0, obwohl h gegen 0 geht; 1 wäre der Funktionswert f(1), nicht die Steigung.
Lückentext #8 15s ▶ Testen

Die Ableitung ist definiert als Grenzwert: f′(x₀) = lim (h → 0) von (f(x₀ + h) − f(x₀)) / ___.

✓ Antwort: h
Der Differenzenquotient mit Δx = h — sein Grenzwert für h → 0 ist der Differentialquotient.
Lückentext #9 15s ▶ Testen

Für die lineare Funktion f(x) = 3x + 1 hat der Differenzenquotient auf jedem Intervall denselben Wert ___.

✓ Antwort: 3
Eine Gerade hat überall dieselbe Steigung — mittlere und lokale Änderungsrate fallen zusammen.
Mittel
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Der Wasserstand eines Beckens (in cm) hängt von der Zeit t (in Minuten) ab. Es gilt h′(3) = 2. Was bedeutet das?

  • ● Zum Zeitpunkt t = 3 steigt der Wasserstand momentan mit 2 cm pro Minute.
  • ○ Nach 3 Minuten steht das Wasser genau 2 cm hoch im Becken.
  • ○ Der Wasserstand steigt die ganze Zeit mit 2 cm pro Minute.
h′(3) ist die lokale Änderungsrate bei t = 3 — nicht der Bestand h(3) und keine Aussage über andere Zeitpunkte.
Wahr / Falsch #2 15s ▶ Testen

Jana will f′(x₀) bestimmen und setzt im Differenzenquotienten (f(x₀ + h) − f(x₀)) / h sofort h = 0 ein. Sie erhält 0/0. Ihr Vorgehen war richtig.

✓ Falsch
Falsch — 0/0 ist nicht definiert. Man braucht den Grenzwert h → 0, bei dem sich h vorher herauskürzen lässt; erst danach darf man h gegen 0 gehen lassen.
Multiple Choice #3 20s ▶ Testen

Die Temperatur folgt T(t), t in Stunden. Um 12 Uhr gilt T′(12) = −1,5 (°C pro Stunde). Was heißt das?

  • ● Um 12 Uhr fällt die Temperatur momentan mit 1,5 °C pro Stunde.
  • ○ Um 12 Uhr zeigt das Thermometer genau −1,5 °C an.
  • ○ Um 12 Uhr steigt die Temperatur momentan mit 1,5 °C pro Stunde.
Das negative Vorzeichen bedeutet Abnahme; T′(12) ist die momentane Änderungsrate, nicht der Temperaturwert.
Multiple Choice #4 20s ▶ Testen

f(x) = x², Stelle x₀ = 2. Die Sekantensteigungen sind: für h = 1 der Wert 5, für h = 0,1 der Wert 4,1, für h = 0,01 der Wert 4,01. Was liegt nahe?

  • ● f′(2) = 4
  • ○ f′(2) = 5
  • ○ f′(2) = 0
Die Sekantensteigungen streben für h → 0 gegen 4 — das ist der Differentialquotient an der Stelle 2. 5 ist nur die grobe Sekantensteigung für h = 1; 0 verwechselt „h wird 0" mit „die Steigung wird 0".
Wahr / Falsch #5 20s ▶ Testen

Beim freien Fall gilt s(t) = 5t² (Weg in m, t in Sekunden). Die mittlere Geschwindigkeit der ersten 2 Sekunden beträgt 10 m/s. Also ist auch die momentane Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t = 2 gleich 10 m/s.

✓ Falsch
Falsch. Die mittlere Rate mittelt über das ganze Intervall, die lokale gilt für einen Zeitpunkt — hier ist s′(2) = 20 m/s. Nur bei linearen Funktionen stimmen beide stets überein.