Einführung in die Differentialrechnung: Unterschied zwischen den Versionen

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h) Schätzen Sie aufgrund der Ergebnisse aus a) - g), welches Ergebnis für die momentane Änderungsrate bei Sekunde 12 Ihnen plausibel erscheint.<br />  
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Version vom 30. Oktober 2013, 16:20 Uhr

Achtung: Baustelle: Lernpfad zur Einführung in die Differentialrechnung

Einstiegsaufgaben

Blumenvase

Unterschiedliche Gefäßformen lassen sich durch ihren Füllgraphen beschreiben. Dieser ergibt sich, wenn in ein Gefäß eine Flüssigkeit mit gleichmäßigem Zufluss einfließt. Die entstehende Zuordnung Zeit(t) -> Höhe(h) kann in ein Koordinatensystem übertragen werden und stellt die Zunahme des Wasserspiegels in Abhängigkeit von der Zeit dar.

Aufgabe

Skizziert zunächst für die beiden Gefäße (siehe Bild <- wird noch eingefügt) einen möglichen Verlauf des Füllgraphs in ein Koordinatensystem. Vergleicht eure Ergebnisse mit einer anderen Zweiergruppe und begründet eure Skizze.

Experiment

Mit dem folgenden Experiment werdet ihr eure Vermutung aus der ersten Aufgabe überprüfen.

Dazu sollt ihr gleichmäßig Wasser in ein Gefäß füllen. Mit einer Stoppuhr wird die Zeit gemessen, wie lange der Wasserspiegel braucht um auf 0.5 cm, 1 cm, 1.5 cm, 2cm usw. zu steigen. Die Messdaten für die Zeit tragt ihr danach in die GeoGebra-Tabelle ein.

Achtung: Bei manchen Stoppuhren lassen sich Zwischenzeiten stoppen. Diese liefern für unseren Versuch die genaueren Ergebnisse, müssen aber zunächst noch addiert werden.

Versuchsaufbau

Im Bild seht ihr den Versuchsaufbau. Bei der Versuchsdurchführung ist es zum einen besonders wichtig, dass der Wasserzufluss immer gleichmäßig ist. Der obere Trichter muss daher immer mit Wasser gefüllt sein, sodass der Zufluss konstant bleibt. Zum anderen muss der „Zeitmesser“ genau beobachten, wann der Wasserspiegel die markierten Höhen erreicht, damit die Messung so exakt wie möglich ist.

Wenn alle Messdaten in der Tabelle eingetragen sind, könnt ihr euch die dazugehörigen Punkte im Koordinatensystem anzeigen lassen. Markiere als erstes alle Messwerte (Zeit und Höhe). Durch einen Rechtsklick über den markierten Werten kann im erscheinenden Kontextmenü Erzeuge - Liste von Punkte ausgewählt, sodass die zu den Messwerten gehörigen Punkte im Koordinatensystem erscheinen.

Tabelle

<popup name="GeoGebra Tabelle">

GeoGebra

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Aufgabe

Vergleicht die Versuchsdaten mit euren Skizzen aus Aufgabe 1 und beschreibt den Verlauf des Füllgraphen. Inwiefern kann man die Form des Gefäßes am Füllgraphen ablesen?

Aufgabe

Um weitere Erkenntnisse über den Füllvorgang zu erhalten soll nun die Steiggeschwindigkeit des Wasserspiegels untersucht werden.

Mit welcher Geschwindigkeit (Höhe/Zeit) steigt der Wasserspiegel zwischen den Höhen [1;2], [4;5] und [5;8]. Berechne die Steiggeschwindigkeit für jedes Intervall. Interpretiere die Ergebnisse mit Blick auf die jeweilige Gefäßform.

Aufgabe

Ist es möglich, die Steiggeschwindigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt zu ermitteln? Begründet eure Antwort kurz.

Barringer-Krater

Meteor.jpg

In Arizona gibt es einen Einschlagskrater eines Meteoriten, den sogenannten Barringer-Krater.

Der Krater hat einen Durchmesser von etwa 1200 Meter und eine Tiefe von 180 Meter. An der flachsten Stelle kann der Kraterrand durch die folgende Funktion beschrieben werden: für

Hier kommt noch ein Koordinatensystem mit der Funktion hin

Im Krater befindet sich ein Fahrzeug, das eine Steigung von bis zu 100% bewältigen kann. Kann das Fahrzeug den Kraterrand erreichen und aus dem Krater herausfahren?

Von der mittleren zur momentanen Änderungsrate

Blumenvase

In die abgebildete Vase wird gleichmäßig Wasser eingelassen. Die Tabelle stellt dar, wie sich die Wasserhöhe (gemessen vom Tischboden) in der Vase beim Einfüllvorgang im Zeitverlauf verändert.

Zeit (Sekunden) Höhe (cm)
0 0,51
3 1,33
6 2,74
9 4,91
12 8,00
15 12,17
18 17,58

Die mittlere Änderungsrate gibt an, wie viel Zentimeter pro Sekunde die Wasserhöhe in einem Zeitabschnitt im Schnitt zunimmt.

Bsp.
In den drei Sekunden zwischen Sekunde 6 und 9 steigt das Wasser um 4,91 cm - 2,74 cm = 2,17 cm. Daher nimmt das Wasser pro Sekunde um 2,17 cm : 3 s = 0,72 cm/s zu. Die mittlere Änderungsrate im Zeitabschnitt von Sekunde 6 und Sekunde 9 beträgt daher 0,72 cm pro Sekunde (abgekürzte Schreibweise: 0,72 cm/s)

Vorlage:Aufgaben-M

a) In den ersten drei Sekunden steigt die Wasserhöhe um 1,33 cm - 0,51 cm = 0,82 cm. Pro Sekunde steigt es daher um 0,82 cm : 3 s = 2,73 cm/s.
b) In den drei Sekunden von Sekunde 3 auf Sekunde 6 nimmt die Wasserhöhe um 2,74 cm - 1,33 cm = 1,41 cm zu. Die mittlere Änderungsrate ist daher 1,41 cm : 3 s = 0,471 cm/s.
c) Zwischen Sekunde 15 und 18 liegen wiederum 3 Sekunden. In diesem Zeitraum steigt das Wasser um 17,58 cm - 12,17 cm = 4,17 cm. Pro Sekunde nimmt das Wasser in diesem Zeitraum daher um 4,17 cm : 3 s = 1,389 cm/s zu.
d) Bei Sekunde 3 beträgt die Wasserhöhe 1,33 cm, während sie bei Sekunde 12 genau 8 cm beträgt. In diesen 9 Sekunden ist die Wasserhöhe also um 8 cm - 1,33 cm = 6,67 cm gesteigen. Die mittlere Änderungsrate zwischen Sekunde 3 und 12 beträgt daher 6,67 cm : 9 s = 0,741 cm/s.

e) Das Wasser nimmt in den ersten 18 Sekunden um 17,58 cm - 0,51 cm = 17,07 cm zu. Die mittlere Änderungsrate beträgt in diesem Zeitintervall daher 17,07 cm : 18 s = 0,948 cm/s.



Möchte man nun für einen Zeitpunkt (z.B. Sekunde 12) eine Änderungsrate bestimmen, so spricht man von der momentanen Änderungsrate. Wie man die momentane Änderungsrate näherungsweise bestimmen kann, erfahren Sie in Aufgabe 2.

Vorlage:Aufgaben-M

<popup name="Applet">

GeoGebra

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a) Bei Sekunde 12 beträgt die Wasserhöhe genau 8 cm, während das Wasser bei Sekunde 15 die Höhe 12,167 cm hat. In den drei Sekunden ist es also um 12,167 cm - 8 cm = 4,167 cm gestiegen. Die mittlere Änderungsrate in diesem Zeitabschnitt beträgt daher 4,167 cm : 3 s = 1,389 cm/s.
b) 10,648 cm - 8 cm = 2,648 cm => 2,648 cm : 2 s = 1,324 cm/s
c) 1,261 cm/s
d) 1,2302 cm/s
e) 1,218 cm/s
f) 1,206 cm/s
g) 1,204 cm/s

h) Der Wert scheint gegen 1,2 cm/s zu streben.



Vorlage:Aufgaben-M

a)


=> Höhenzunahme:
=> mittlere Änderungsrate:

b) Der Zeitabschnitt für die mittlere Änderungsrate müsste immer kleiner gewählt werden, z.B. zwischen Sekunde 12 und 12,00001 usw.

Von der Sekanten- zur Tangentensteigung

Barringer-Krater

Die durchschnittliche Steigung des Kraters zwischen den Punkten A(x0|k(x0)) und B(x1|k(x1)) kann mit berechnet werden. Dies enspricht der Steigung der Geraden, die durch die Punkte A und B geht. Eine solche Gerade, die den Graphen einer Funktion in zwei Punkten scheidet, nennt man Sekante. ist dann die Sekantensteigung.

Vorlage:Aufgaben-M

GeoGebra




GeoGebra


In der Graphik der Lösung der vorherigen Aufgabe kann man den Punkt B bewegen, indem man mit der Maus auf ihn zeigt und bei gedrückter linker Maustaste die Maus bewegt.


Vorlage:Kasten blau

Vorlage:Aufgaben-M

Verallgemeinerung

Die Überlegungen, die wir für die Kraterfunktion angestellt haben, kann man auch für andere Funktionen durchführen.

Vorlage:Aufgaben-M

  • Die Steigung ist (ungefähr) 3.
  • Die Steigung ist (ungefähr) 2,5.
  • Die Steigung ist (ungefähr) 2.




Vorlage:Aufgaben-M

  • Die Steigung ist .
  • Wählt man , so ergibt sich .
  • Wenn man x1 sehr dicht an 1 wählt, ist die Näherung recht genau.

Vorlage:Kasten blau




Anstatt x1 immer mehr x0 anzunähern, kann man auch die Differenz klein werden lassen. Es ist dann .

Vorlage:Aufgaben-M

GeoGebra



GeoGebra



Vorlage:Untersuchen Vollziehen sie im Applet den Übergang von der Sekante zur Tangente nach. Wie ändert sich dabei h?


  • Sekantensteigung
  • Man würde durch 0 dividieren, was ja nicht erlaubt ist. Daher können wir zur Bestimmung der Tangensteigung nicht einfach h gleich 0 setzen, sondern können nur einen Grenzwert betrachten, indem wir h immer kleiner werden lassen und so der 0 annähern.



Vorlage:Aufgaben-M

Die Sekantensteigung ist .

Dies muss für verschiedene n ausgerechnet werden. (Bei der Tabellenfunktion des Taschenrechners muss statt n als Variable x gewählt werden.)


n h x1 Sekantensteigung m
0 1 2 3
1 0,1 1,1 2,1
2 0,01 1,01 2,01
3 0,001 1,001 2,001
4 0,0001 1,0001 2,0001
5 0,00001 1,00001 2,00001


Vorlage:Aufgaben-M

Differenzenquotient

Vorlage:Aufgaben-M

Plenumsphase? Möglicher Inhalt: Verbindung zwischen durchschnittlicher Änderungsrate, Sekantenssteigung und Differenzenquotient (allgemeine Beschreibung für die beiden Konzepte) herstellen.

Differentialquotient

Vorlage:Kastendesign1


Der Differentialquotient f'(x0 )

  • beschreibt die momentane Änderungsrate der Funktion f an der Stelle x0 und entsteht im Rahmen eines Grenzprozesses, wenn man bei der durchschnittlichen Änderungsrate zwischen x0 und x1 den Wert x1 immer mehr dem Wert x0 annnährt,
  • beschreibt die Steigung der Tangenten an den Graphen der Funktion im Punkt A(x0|f(x0)) und entsteht, wenn man in Rahmen eines Grenzprozesses bei der Sekantensteigung zwischen den Punkten A(x0|f(x0)) und B(x1|f(x1)) den Punkt B(x1|f(x1)) immer mehr dem Punkt A(x0|f(x0)) annähert.



GeoGebra



Vorlage:ProtokollierenSchreiben Sie die Definition des Differentialquotienten zusammen mit einer Skizze in Ihr Heft.


Vorlage:Aufgaben-M


Andere Schreibweise:

Statt den Wert x1 immer mehr dem Wert x0 anzunähern, können wir auch die Differenz der beiden Werte immer kleiner werden lassen.

Vorlage:Aufgaben-M



Dies nennt man die h-Schreibweise des Differentialquotienten.



GeoGebra



Vorlage:Untersuchen Vergleichen Sie die beiden Applets und untersuchen Sie die Veränderungen.



Vorlage:Aufgaben-M


Vorlage:Aufgaben-M

Ableitungsfunktion

Vorlage:Aufgaben-M Treffen Sie sich mit einem weiteren Lernteam und vergleichen Sie Ihre Lösung.

Vorlage:Aufgaben-M

Treffen Sie sich mit einem weiteren Lernteam und vergleichen Sie Ihre Lösung.

Ableitungsfunktion Applet als Link übernehmen?Passt doch eigentlich so.

Kontext plus Übung

Diagnoseinstrument