Differenzierbarkeit

Als Differenzierbarkeit bezeichnet man in der Mathematik die Eigenschaft einer Funktion sich lokal um einen Punkt in eindeutiger Weise linear approximieren zu lassen. Differenzierbarkeit ist in zahlreichen mathematischen Räumen definiert.

Die Differenzierbarkeit gehört zu den Problemstellungen der Differenzialrechnung, die ihrerseits ein mathematisches Teilgebiet der Analysis darstellt.

Definitionen

Im einfachsten Fall betrachtet man eine reellwertige Funktion einer reelen Variablen, also eine Funktion aus den reellen Zahlen in sich selbst. (f:IR->IR)

Definition:Eine Funktion f ist differenzierbar an einer Stelle x₀ ihres Definitionsbereichs, falls eine reelle Zahl a und eine Funktion g (Fehler der Approximation) existieren, derart, dass

f(x0+h)=f(x0) + a*h + g(h)

und g von höherer als erster Ordnung gegen 0 geht. (Wachstumsvergleich h*g(h) -> 0 für h->0)

Der Grenzwert

$\lim _{x\rightarrow x_{0}}\left({\frac {f(x)-f(x_{0})}{x-x_{0}}}\right)={\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} x}}f(x_{0})$

heißt dann die Ableitung der Funktion im Punkt x0.

Sie heißt genau dann differenzierbar ohne Einschränkung auf einen speziellen Punkt, wenn sie an jeder Stelle ihres Definitionsbereichs differenzierbar ist. Grafisch lässt sich dies so deuten, dass eine Funktion genau dann differenzierbar ist, wenn an jedem Punkt des Graphen von f genau eine Tangente existiert.

Differenzierbarkeit und Stetigkeit

Für viele mathematische Sätze ist nicht die Differenzierbarkeit, sondern die stetige Differenzierbarkeit relevant, also die Frage, ob auch die Ableitung selbst noch eine stetige Funktion ist. Von ganz besonders großer Bedeutung sind in diesem Zusammenhang die unendlich oft stetig differenzierbaren oder glatten Funktionen.

Graphische Veranschaulichung einer unstetigen Funktion

Begriffserweiterungen

Der Begriff der Differenzierbarkeit lässt sich ausdehnen auf

mehrdimensionale Räume, wo partielle und totale Differenzierbarkeit unterschieden werden müssen.
komplexe Räume, bei denen die reellen Zahlen durch komplexe Zahlen ersetzt werden; hier liefert Differenzierbarkeit eine wesentlich stärkere Einschränkung einer Funktion
gekrümmte Räume bzw. differenzierbare Mannigfaltigkeiten und komplexe Mannigfaltigkeiten.

Siehe auch