Analysis
Mittlere Änderungsrate und Differenzenquotient
Wie schnell ändert sich etwas im Durchschnitt? Sekanten und ihre Anstiege.
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
120 km in 1,5 Stunden: Durchschnittstempo 80 km/h. Aber warst du jederzeit 80 km/h schnell? Natürlich nicht! Die Analysis beginnt genau mit dieser Unterscheidung: durchschnittliche vs. momentane Änderung. Heute nehmen wir uns den vor (den Differenzenquotienten) und legen damit das Fundament für die .
Das kannst du nach diesem Kapitel
die mittlere Änderungsrate einer Funktion auf einem Intervall berechnen.
den Differenzenquotienten als Sekantenanstieg geometrisch deuten.
Änderungsraten in Sachzusammenhängen interpretieren (Geschwindigkeit, Wachstum).
mittlere und momentane Änderungsrate begrifflich unterscheiden.
Die mittlere Änderungsrate: Bekanntes in neuer Sprache
Die Autofahrt aus der Einführung: in Stunden. Die Durchschnittsgeschwindigkeit rechnest du ohne nachzudenken aus:
Was du dabei getan hast: Gesamtänderung geteilt durch verstrichene Zeit. Genau dieses Muster verallgemeinern wir jetzt auf beliebige Funktionen.
Die Definition
Wie stark ändert sich eine Funktion im zwischen zwei Stellen und ?
Oben steht, wie stark sich der Funktionswert geändert hat, unten, über welche Spanne hinweg. Dieser Ausdruck heißt Differenzenquotient, Differenz geteilt durch Differenz, und sein Wert ist die mittlere Änderungsrate.
Das kennst du längst
Genau diesen hast du in Klasse 8 bei den benutzt, um den Anstieg aus zwei Punkten zu bestimmen:
Es ist derselbe Ausdruck, nur schreibt man die -Werte jetzt als und . Neu ist nicht die Formel, sondern wofür man sie einsetzt: Bei einer Geraden liefert sie überall dasselbe, deshalb hieß sie dort einfach „die ". Bei einer gekrümmten Funktion hängt das Ergebnis davon ab, welches Intervall du wählst. Deshalb spricht man jetzt von der mittleren Änderungsrate: Sie gehört immer zu einem bestimmten Abschnitt.
Warum die Einheit mitgedacht werden muss
Sobald die Funktion Größen aus dem Alltag beschreibt, ist der Differenzenquotient keine nackte Zahl, sondern hat eine Einheit, nämlich die des geteilt durch die des :
Genau daran erkennst du in Sachaufgaben, was du berechnet hast. Und wenn du am Ende „" ohne Einheit hinschreibst, fehlt die halbe Aussage.
Was der Differenzenquotient im Bild bedeutet
Bisher war die mittlere Änderungsrate eine Rechnung. Sie hat aber auch eine sehr anschauliche Bedeutung, und die brauchst du für alles Weitere.
Zeichne die beiden Punkte und in den Graphen und verbinde sie mit einer Geraden. Eine Gerade, die eine Kurve in zwei Punkten schneidet, heißt Sekante (von lateinisch secare = schneiden). Das Wort kennst du von den Geraden am aus Klasse 6, dort gab es neben der Sekante (schneidet in zwei Punkten) auch die (berührt in genau einem Punkt). Dieses Paar bekommt gleich noch eine Hauptrolle.
Und jetzt der Zusammenhang
Wie berechnet man die dieser Sekante? Über ein Steigungsdreieck, waagerechter Weg , senkrechter Weg :
Das ist exakt der Differenzenquotient. Also gilt:
Die mittlere Änderungsrate ist die Steigung der Sekante durch die beiden Punkte.
Warum diese Übersetzung so nützlich ist: Sie verbindet eine Rechnung mit einem Bild. In Aufgaben kannst du dadurch zwischen beiden Welten wechseln, aus dem Graphen eine Rate ablesen oder aus Zahlen die Steilheit vorhersagen. Und sie ist der Schlüssel für den nächsten Schritt: Wenn du die beiden Punkte zusammenrücken lässt, wird aus der Sekante die Tangente, und aus der mittleren die momentane Änderungsrate.
Das Bild unten zeigt die Sekante mit ihrem Steigungsdreieck.
Sekante und Differenzenquotient
Die Sekante (rot) verbindet die beiden Punkte. Ihr Anstieg ist der Differenzenquotient , die mittlere Änderungsrate. Rückt der rechte Punkt an den linken heran, wird aus der Sekante die .
Was die Rate im Sachzusammenhang aussagt
In Anwendungsaufgaben reicht es nicht, eine Zahl auszurechnen, du musst sagen können, was sie bedeutet. Und das hängt davon ab, was die Funktion beschreibt.
| Funktion | Differenzenquotient bedeutet … | Einheit |
|---|---|---|
| Weg | Durchschnittsgeschwindigkeit im Zeitraum | |
| Höhe einer Pflanze | mittlere Wachstumsrate | |
| Kontostand | mittlere Sparrate | |
| Temperatur | mittlere Erwärmung |
Das Muster ist immer dasselbe: „Größe pro Zeiteinheit". Die Einheit verrät dir die Bedeutung, wenn du sie mitschreibst, formulierst du fast automatisch den richtigen Antwortsatz.
Was das Vorzeichen aussagt
- positiv → die Größe hat im Schnitt zugenommen,
- negativ → sie hat im Schnitt abgenommen (Abkühlung, Wertverlust, Rückweg),
- null → Anfangs- und Endwert sind gleich.
Die wichtigste Warnung: „im Durchschnitt" heißt nicht „durchgehend"
Eine mittlere Änderungsrate von bedeutet nicht, dass nichts passiert ist. Wirf einen Ball senkrecht hoch: Nach der Landung ist er wieder auf Ausgangshöhe, die mittlere Änderungsrate der Höhe ist also null, obwohl er zwischendurch weit oben war. Anstieg und Abstieg haben sich ausgeglichen.
Genauso sagt die Durchschnittsgeschwindigkeit von nichts darüber, ob du zwischendurch gestanden hast oder gefahren bist.
Merke: Der Differenzenquotient kennt nur Anfang und Ende. Was dazwischen passiert, sieht er nicht. Genau deshalb reicht er nicht aus, und genau deshalb kommt als Nächstes die momentane Änderungsrate.
Denk weiter: Ein Tee ist nach 2 Minuten noch 90 Grad heiß, nach 14 Minuten nur noch 42 Grad. Berechne die mittlere Änderungsrate der Temperatur. Was verrät das Vorzeichen?
Rechne erst selbst, bevor du aufklappst.
Temperaturänderung: Grad · Zeitspanne: Minuten. Also:
Das Minuszeichen ist keine Rechenpanne, sondern die halbe Antwort: Die Temperatur hat im Mittel um Grad pro Minute abgenommen, aus der „mittleren Erwärmung" der Tabelle oben wird bei negativem Vorzeichen eine Abkühlung.
Eine Kontrolle: Wer oben rechnet, unten aber , bekommt und übersieht die Abkühlung, oben und unten gehört dieselbe Reihenfolge. Und „im Mittel" bleibt „im Mittel": Vermutlich kühlte der Tee anfangs schneller ab als später; der Differenzenquotient sieht nur Anfang und Ende.
Deine Lösung darf anders aussehen, entscheidend ist das Minus und ein Satz, der es deutet.
Der Blick nach vorn: vom Durchschnitt zum Augenblick
Der Tacho zeigt nicht den der ganzen Fahrt, sondern das Tempo in diesem Augenblick. Wie käme man an diesen Wert?
Die Idee: das Intervall schrumpfen lassen
Die Durchschnittsgeschwindigkeit über Stunden sagt wenig über einen bestimmten Moment. Über die letzten Minuten sagt sie schon mehr. Über die letzte Sekunde ist sie praktisch das Tempo jetzt.
Das ist der ganze Trick: Nimm das Intervall und lass immer näher an heranrücken. Der Differenzenquotient wird dabei immer genauer. Er beschreibt einen immer kürzeren Ausschnitt.
Was dabei im Bild passiert
Rücken die beiden Punkte zusammen, dreht sich die Sekante allmählich, bis sie den Graphen nur noch in einem Punkt berührt. Diese Grenzlage heißt .
Diese momentane Änderungsrate ist die , das zentrale Werkzeug der gesamten Oberstufenmathematik. Zwei Fachwörter gehören von Anfang an dazu: Das Heranrücken schreibt man kurz (gelesen: „ geht gegen "), und die Zahl, auf die die Sekantensteigungen dabei zusteuern, heißt ihr Grenzwert. Weil die Ableitung auf diesem Weg als Grenzwert des Differenzenquotienten entsteht, trägt sie auch den Fachnamen Differentialquotient. Wie man diesen Grenzübergang sauber durchführt (und warum dabei nicht einfach herauskommt), ist das Thema des nächsten Kapitels, dort bekommen beide Begriffe ihren genauen Sinn.
Was du aus diesem Kapitel mitnimmst: Der Differenzenquotient ist nicht nur eine Formel für Durchschnitte. Er ist der Baustein, aus dem die Ableitung entsteht. Wer ihn hier sicher beherrscht, hat es im nächsten Kapitel deutlich leichter.
Differenzenquotient berechnen
Berechne die mittlere Änderungsrate von auf dem Intervall und deute sie geometrisch.
- 1
Angaben sortieren. Gegeben sind die Funktion und das Intervall von bis . Gesucht ist die mittlere Änderungsrate, also der Differenzenquotient.
Wichtig zu verstehen: Die Rate gehört immer zu diesem Intervall. Auf einem anderen Abschnitt derselben käme etwas anderes heraus, weil die Kurve gekrümmt ist.
- 2
Die Formel und warum sie passt. Die mittlere Änderungsrate ist „Änderung des Funktionswerts geteilt durch Änderung von ":
Wir brauchen also zuerst die beiden Funktionswerte an den Intervallgrenzen.
- 3
Funktionswerte berechnen. Einsetzen in :
Die beiden Punkte auf dem Graphen sind also und .
- 4
Einsetzen und ausrechnen. Achte auf die Reihenfolge: Oben und unten muss dieselbe Grenze zuerst stehen, sonst kippt das Vorzeichen. Wir nehmen beide Male die rechte Grenze zuerst.
- 5
Geometrisch deuten. Der Differenzenquotient ist die Steigung der Sekante durch die beiden Punkte und .
Die Sekante steigt also mit : Auf zwei Schritte nach rechts kommen acht Einheiten nach oben.
Inhaltlich: Auf dem Abschnitt von bis wächst die Parabel im Mittel um Einheiten pro Schritt.
- 6
Der wichtige Zusatz: „im Mittel" heißt nicht „überall". Die Parabel ist gekrümmt, bei steigt sie flacher, bei steiler als mit .
Rechne zur Probe die Rate auf einem kleineren Intervall: Auf ergibt sich , auf dagegen . Der Wert ist genau der Durchschnitt aus beiden, er glättet die Unterschiede.
Die mittlere Änderungsrate beträgt ; sie ist die der Sekante durch und .
Merke: Der Differenzenquotient beschreibt immer nur den über ein Intervall. Was dazwischen passiert, sieht er nicht, dafür braucht es die .
Durchschnittsgeschwindigkeit
Ein Ball fällt; sein Fallweg ist (Meter, Sekunden). Berechne die Durchschnittsgeschwindigkeit a) in den ersten Sekunden und b) zwischen und .
- 1
Was ist eine Durchschnittsgeschwindigkeit? Zurückgelegter Weg geteilt durch benötigte Zeit, also genau der Differenzenquotient der Weg-Zeit-Funktion:
Die Aufgabe verlangt denselben Rechenweg zweimal, aber auf verschiedenen Intervallen. Genau darin liegt die Pointe.
- 2
a) Die ersten Sekunden, das Intervall ist .
Zuerst die beiden Wegwerte:
Der Ball ist in diesen zwei Sekunden also gefallen.
- 3
a) Einsetzen.
Einheit: Meter geteilt durch Sekunden, also . Die Einheit ergibt sich unmittelbar aus dem : Weg oben, Zeit unten.
- 4
b) Zwischen und , jetzt das Intervall .
- 5
Die beiden Ergebnisse vergleichen, darum geht es eigentlich.
In der zweiten Sekunde ist der Ball im Mittel deutlich schneller. Das muss so sein: Er beschleunigt ja beim Fallen, wird also immer schneller.
Die Lehre daraus: Ein und dieselbe Bewegung hat je nach betrachtetem Zeitraum verschiedene Durchschnittsgeschwindigkeiten. Deshalb muss in Aufgaben immer dazustehen, auf welchem Intervall gemessen wird.
- 6
Und was wäre die Geschwindigkeit genau bei ? Das beantwortet keiner der beiden Werte. Um sie zu bestimmen, müsste man das Intervall immer weiter schrumpfen lassen, und genau das führt im nächsten Kapitel zur .
Zur Orientierung: Der momentane Wert bei läge bei , also nochmals höher als jeder davor.
a) · b)
Verschiedene Intervalle liefern verschiedene Durchschnitte, ein Durchschnittswert allein sagt nie, wie schnell der Ball zu einem bestimmten Zeitpunkt war.
Änderungsrate aus Daten
Eine Sonnenblume ist am Tag genau hoch, am Tag dann . Bestimme die mittlere Wachstumsrate, mit Einheit und Antwortsatz.
- 1
Angaben sortieren. Hier ist keine Funktionsgleichung gegeben, sondern nur zwei Messwerte. Das genügt für die mittlere Änderungsrate völlig. Sie braucht ja nur Anfang und Ende.
Zeitpunkt Höhe Anfang Tag Ende Tag - 2
Die beiden Änderungen einzeln bestimmen. Das macht den Bruch übersichtlicher:
Beachte: Es sind Tage, nicht . Gezählt wird nur die Spanne zwischen den Messungen.
- 3
Den Differenzenquotienten bilden.
- 4
Die Einheit bestimmen. Sie gehört zwingend dazu. Oben stehen Zentimeter, unten Tage:
Ohne Einheit wäre „" nichtssagend. Die Einheit sagt zugleich, was die Zahl bedeutet: Zentimeter pro Tag.
- 5
Antwortsatz formulieren, mit Zeitraum, Wert und Einheit:
Zwischen Tag und Tag ist die Sonnenblume im um pro Tag gewachsen.
Warum „im Durchschnitt" nicht weggelassen werden darf: Die Pflanze ist mit ziemlicher Sicherheit nicht jeden Tag exakt gewachsen, an manchen Tagen mehr, an anderen weniger. Die Rate glättet das nur.
Die mittlere Wachstumsrate beträgt .
Für alle Sachaufgaben dieses Typs: Änderung der Größe durch Änderung der Zeit, und die Einheit ergibt sich automatisch aus dem („Größe pro Zeiteinheit").
Typischer Fehler
„ hat auf die mittlere Änderungsrate 0, also war die Funktion dort konstant."
Der verschluckt das Auf und Ab! auf : → Rate 0, obwohl der Graph erst kräftig fällt und dann steigt. Die mittlere Änderungsrate vergleicht nur Anfang und Ende, was dazwischen passiert, sieht sie nicht. (Genau deshalb braucht es später die momentane Rate!)
Übung 1
leichtBerechne die mittlere Änderungsrate: a) auf b) auf
Tipp anzeigen
b) Was fällt bei auf?
Lösung anzeigen
a)
b) , bei linearen Funktionen ist die mittlere Rate auf jedem Intervall gleich dem Anstieg !
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) Der Differenzenquotient
Mittlere Änderungsrate : Für auf : .
- 2
b) Lineare Funktion als Spezialfall
auf : .
- 3
Vergleich der beiden Fälle
Bei hängt die mittlere Rate vom Intervall ab (auf wäre sie , auf ist sie ); bei ist sie überall .
Übung 2
mittelDie Besucherzahl eines Freibads: (t = Stunden nach Öffnung). Berechne die mittlere Änderungsrate auf und auf und interpretiere beide.
Tipp anzeigen
, , , .
Lösung anzeigen
: , im Schnitt 130 Besucher mehr pro Stunde (Ansturm am Vormittag).
: , nur noch 20 pro Stunde: Das Bad füllt sich kaum noch.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Funktionswerte an den Intervallgrenzen
, , , Besucher.
- 2
Beide Änderungsraten berechnen
: Besucher/Stunde. : Besucher/Stunde.
Zwischenergebnis
bzw. Besucher/h
- 3
Interpretieren im Sachkontext
Vormittags () strömen im Schnitt Menschen pro Stunde zusätzlich ins Bad, der Ansturm. Gegen Ende () sind es nur noch pro Stunde: Das Bad füllt sich kaum noch.
Übung 3
schwerFür : a) Berechne die mittlere Änderungsrate auf , und . b) Was vermutest du für die momentane Änderungsrate an der Stelle 2?
Tipp anzeigen
Die Intervalle schrumpfen auf die 2 zu …
Lösung anzeigen
a) : · : · :
b) Die Werte streben gegen 4, die momentane Änderungsrate bei ist vermutlich 4. (Tatsächlich: , willkommen bei der !)
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) Drei Sekantensteigungen berechnen
: · : · : .
- 2
b) Das Muster ablesen
: Je kürzer das Intervall, desto näher rücken die Werte an . Vermutung: Die momentane Änderungsrate bei ist .
- 3
Der Ausblick: Das ist die Ableitung
Geometrisch werden die Sekanten zur an der Stelle ; ihr Grenzwert heißt Ableitung: und die Potenzregel bestätigt: , also ✓.
Zusammenfassung
Die mittlere Änderungsrate misst die Durchschnittsänderung, geometrisch der Anstieg der Sekante, im Sachkontext Durchschnittsgeschwindigkeit oder -wachstum (Einheit!). Sie sieht nur Anfang und Ende des Intervalls. Lässt man das Intervall schrumpfen, entsteht die momentane Rate, der Auftritt der .


