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Mehrdimensionale Analysis

Partielle Ableitungen: Aufgaben mit Lösungen

12 Aufgaben zu partiellen Ableitungen mit Lösungen: erste und zweite partielle Ableitungen, Gradient, Richtungsableitung, Tangentialebene und kritische Punkte.

Mehrdimensionale Analysis Aktualisiert 4 Min. Lesezeit

Auf einen Blick

f_x = \frac{\partial f}{\partial x}, \quad \nabla f = \langle f_x, f_y\rangle, \quad D_{\mathbf{u}}f = \nabla f\cdot\mathbf{u}
Aufgaben
12, mit Ergebnissen und vollständigen Lösungen
Niveau
Analysis 3 (mehrdimensionale Analysis)
Du brauchst
Alle Ableitungsregeln für eine Variable, besonders die Kettenregel
Grundidee
Nach einer Variablen ableiten und alle anderen Variablen wie Konstanten behandeln
Mit neuen Zahlen üben
Lektion zu partiellen Ableitungen
Auf dieser Seite
  1. Aufgaben
  2. Ergebnisse
  3. Lösungen Schritt für Schritt
  4. Typische Fehler bei diesen Aufgaben
  5. Weiter üben

Diese Aufgaben zu partiellen Ableitungen beginnen mit ersten partiellen Ableitungen und gehen dann zu zweiten partiellen Ableitungen, Gradienten, Richtungsableitungen, Tangentialebenen und kritischen Punkten über. Versuche jede Aufgabe zuerst selbst. Zuerst kommen die Ergebnisse, dann die vollständigen Lösungen.

Die eine Idee hinter allen Aufgaben:

f_x = \frac{\partial f}{\partial x}: \text{ ableiten nach } x, \text{ dabei } y \text{ als Konstante behandeln}

Die Ideen mit Bildern findest du im Leitfaden zu partiellen Ableitungen und im Leitfaden zum Gradienten.

Aufgaben

Erste partielle Ableitungen

  1. f(x, y) = x^3y^2 + 4xy. Bestimme f_x und f_y.
  2. f(x, y) = e^{xy}. Bestimme f_x und f_y.
  3. f(x, y) = \sin(x^2y). Bestimme f_x und f_y.
  4. f(x, y) = \ln(x^2 + y^2). Bestimme f_x.
  5. f(x, y) = \dfrac{x}{y}. Bestimme f_x und f_y.
  6. f(x, y, z) = xyz + z^2. Bestimme f_z.

Zweite partielle Ableitungen und Werte

  1. f(x, y) = x^2y^3. Bestimme f_{xx}, f_{yy} und f_{xy}.
  2. f(x, y) = x^2 + 3xy - y^2. Bestimme f_x(1, 2) und f_y(1, 2).

Gradienten und Ebenen

  1. Bestimme \nabla f(2, 1) für f(x, y) = x^2y.
  2. Bestimme die Richtungsableitung von f(x, y) = x^2y im Punkt (2, 1) in Richtung \langle 3, 4\rangle.
  3. Bestimme die Tangentialebene an z = x^2 + y^2 im Punkt (1, 2, 5).
  4. Bestimme und klassifiziere den kritischen Punkt von f(x, y) = x^2 + y^2 - 4x + 6y.

Ergebnisse

Aufgabe Ergebnis
1 f_x = 3x^2y^2 + 4y, f_y = 2x^3y + 4x
2 f_x = ye^{xy}, f_y = xe^{xy}
3 f_x = 2xy\cos(x^2y), f_y = x^2\cos(x^2y)
4 f_x = \dfrac{2x}{x^2 + y^2}
5 f_x = \dfrac{1}{y}, f_y = -\dfrac{x}{y^2}
6 f_z = xy + 2z
7 f_{xx} = 2y^3, f_{yy} = 6x^2y, f_{xy} = 6xy^2
8 f_x(1, 2) = 8, f_y(1, 2) = -1
9 \langle 4, 4\rangle
10 \frac{28}{5}
11 z = 5 + 2(x - 1) + 4(y - 2), also z = 2x + 4y - 5
12 (2, -3), ein lokales Minimum mit dem Wert -13

Lösungen Schritt für Schritt

1. Für f_x sind y^2 und 4y Konstanten: f_x = 3x^2y^2 + 4y. Für f_y sind x^3 und 4x Konstanten: f_y = 2x^3y + 4x.

2. Kettenregel mit der inneren Funktion xy. Ihre Ableitung nach x ist y, ihre Ableitung nach y ist x:

f_x = ye^{xy}, \qquad f_y = xe^{xy}

3. Kettenregel mit der inneren Funktion x^2y:

f_x = \cos(x^2y)\cdot 2xy, \qquad f_y = \cos(x^2y)\cdot x^2

4. Die Ableitung von \ln u ist \frac{u'}{u}, und die Ableitung von x^2 + y^2 nach x ist 2x:

f_x = \frac{2x}{x^2 + y^2}

5. Bezüglich x ist \frac{x}{y} einfach x mal die Konstante \frac{1}{y}. Bezüglich y ist es x\cdot y^{-1}:

f_x = \frac{1}{y}, \qquad f_y = -xy^{-2} = -\frac{x}{y^2}

6. Behandle x und y wie Konstanten: f_z = xy + 2z.

7. Zuerst ist f_x = 2xy^3 und f_y = 3x^2y^2. Dann:

f_{xx} = 2y^3, \qquad f_{yy} = 6x^2y, \qquad f_{xy} = \frac{\partial}{\partial y}(2xy^3) = 6xy^2

Kontrolle: f_{yx} = \frac{\partial}{\partial x}(3x^2y^2) = 6xy^2. Die Werte stimmen überein.

8. f_x = 2x + 3y, also f_x(1, 2) = 2 + 6 = 8. f_y = 3x - 2y, also f_y(1, 2) = 3 - 4 = -1.

9. f_x = 2xy und f_y = x^2. Im Punkt (2, 1): \nabla f = \langle 4, 4\rangle.

10. Die Länge von \langle 3, 4\rangle ist 5, der Einheitsvektor ist also \left\langle\frac{3}{5}, \frac{4}{5}\right\rangle:

D_{\mathbf{u}}f = \langle 4, 4\rangle\cdot\left\langle\frac{3}{5}, \frac{4}{5}\right\rangle = \frac{12}{5} + \frac{16}{5} = \frac{28}{5}

11. Im Punkt (1, 2) ist f_x = 2x = 2 und f_y = 2y = 4. Die Tangentialebene ist z = f(a, b) + f_x(x - a) + f_y(y - b):

z = 5 + 2(x - 1) + 4(y - 2) = 2x + 4y - 5

12. Setze f_x = 2x - 4 = 0 und f_y = 2y + 6 = 0: (2, -3). Das Kriterium mit der zweiten Ableitung liefert D = f_{xx}f_{yy} - f_{xy}^2 = 2\cdot 2 - 0 = 4 > 0 mit f_{xx} > 0, also liegt ein lokales Minimum vor. Der Wert ist 4 + 9 - 8 - 18 = -13.

Typische Fehler bei diesen Aufgaben

  • Die konstante Variable mit ableiten. In Aufgabe 1 ist f_x von 4xy gleich 4y, nicht 4y + 4x.
  • Die Kettenregel vergessen. In Aufgabe 3 kommt der Faktor 2xy von der inneren Funktion x^2y.
  • Eine Richtung verwenden, die kein Einheitsvektor ist. Normiere in Aufgabe 10 zuerst \langle 3, 4\rangle.
  • Die Reihenfolge bei f_{xy} verwechseln. f_{xy} heißt: zuerst nach x, dann nach y ableiten. Bei glatten Funktionen liefern beide Reihenfolgen dasselbe, das ist eine gute Kontrolle.

Weiter üben

Für unbegrenzt viele Aufgaben mit sofortigem Feedback probiere die Lektion zu partiellen Ableitungen, die Lektion zu zweiten partiellen Ableitungen, die Lektion zu Tangentialebenen und die Lektion zum Gradienten. Für Optimierung mit Nebenbedingung geht es weiter mit den Aufgaben zu Lagrange-Multiplikatoren.

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Partielle Ableitungen

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Häufig gestellte Fragen

Wie bildet man eine partielle Ableitung?

Wähle die Variable, nach der du ableitest, und behandle alle anderen Variablen wie Konstanten. Für f = x^3y^2 ist f_x = 3x^2y^2, denn y^2 ist nur ein konstanter Faktor.

Was sagt der Gradient aus?

Der Gradient \nabla f zeigt in die Richtung des stärksten Anstiegs, und seine Länge ist diese größte Änderungsrate. Außerdem steht er senkrecht auf den Höhenlinien.

Warum muss der Richtungsvektor ein Einheitsvektor sein?

Die Richtungsableitung misst die Änderung pro Längeneinheit. Ein längerer Vektor würde das Ergebnis mit seiner Länge multiplizieren. Nimmst du in Aufgabe 10 \langle 3, 4\rangle statt \langle\frac{3}{5}, \frac{4}{5}\rangle, wird das Ergebnis fünfmal zu groß.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

Wir entwickeln interaktive Analysis-Lektionen und schreiben jede Seite klar und korrekt. Ist dir ein Fehler aufgefallen? Sag uns Bescheid, dann beheben wir ihn.