Produktregel

Die Produktregel oder Leibnizregel (nach Gottfried Wilhelm Leibniz) ist eine grundlegende Regel der Differentialrechnung. Sie führt die Berechnung der Ableitung eines Produktes von Funktionen auf die Berechnung der Ableitungen der einzelnen Funktionen zurück. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es im Allgemeinen einfacher ist die Ableitungen beider Faktoren separat zu berechnen, als jene des gesamten Produkts auf einmal. In etwa kann über die Produktregel die Ableitung des Terms schnell berechnet werden, wenn die Ableitungen der Terme und schon bekannt sind (sie ergeben sich als bzw. mittels der Ableitungsregeln elementarer Funktionen). Für den Fall, dass eine der beiden Funktionen konstant ist, geht die Produktregel in die einfachere Faktorregel über.

Neben ihrer Bedeutung für explizite Berechnungen hat die Produktregel auch theoretische Konsequenzen. Der hinter ihr stehende mathematische Satz besagt, dass Differenzierbarkeit (also die Eigenschaft von Funktionen, eine Ableitung zu besitzen) stabil unter Produktbildung ist. Sind also Funktionen und (in einem Punkt) ableitbar, so auch wieder ihr Produkt . Dies ist von mathematischer Bedeutung, da es eine Verträglichkeit zwischen Differenzierbarkeit und dem Gesetz der Multiplikation zur Folge hat. Das Analogon zur Produktregel hinsichtlich Addition ist die Summenregel.

Im Rahmen der Integralrechnung kann die Produktregel dazu verwendet werden, die partiellen Integration herzuleiten. Genau wie die Integralrechnung als „umkehrende“ Theorie zur Differentialrechnung gesehen werden kann, entspricht die partielle Integration der „Umkehrung“ der Produktregel.

Einführende Erklärung

Graphische Darstellung der Approximation von durch . Letztere ist die Tangente von an der Stelle . Durch dieses Prinzip kann der Normalparabel an der Stelle die „Steigung“ 2 zugeordnet werden.

Ist eine Funktion in einem Punkt ableitbar, so ist es möglich, sie in diesem Bereich sehr gut durch eine lineare Funktion anzunähern. Der Vorteil daran ist, dass man Begriffe wie „Steigung“, also das Maß, um wie viel Einheiten sich ein Vorgang ändert, wenn man den Eingabewert verändert, für lineare Funktionen verstanden hat. Indes ist es zu Beginn nicht klar, wie zum Beispiel die Steigung einer Funktion wie im Punkt zu begreifen ist. Durch die Annäherung mittels einer linearen Funktion, quasi als gedanklichen „Um-“ bzw. „Zwischenweg“, kann man aber den Begriff der Steigung auch auf Kurven, also nicht-lineare Vorgänge, ausweiten. Die Steigung am Punkt einer Kurve entspricht dann per Definition der Steigung der linearen Funktion, welche die Kurve dort am besten annähert, aber die Steigung einer linearen Funktion ist wegen der Gradlinigkeit des Schaubildes gut verstanden. Auf diese Weise können auch komplizierten, nicht-linearen Vorgängen lokale Veränderungsraten zugeordnet werden. Dieser Vorgang entspricht dem Kerngedanken der Differentialrechnung.

Der Gedanke hinter der Produktregel fußt nun wiederum auf einem einfachen Mechanismus. Sind zum Beispiel die Funktionen und separat im Punkt im Sinne der Differentialrechnung gut verstanden, können sie durch lineare Funktionen

und (für sehr kleine Werte )

angenähert werden. Dabei haben die Näherungen, wie man aus der Erfahrung mit linearen Funktionen weiß, die Steigungen bzw. . Das Prinzip der Differentialrechnung ordnet also den „schwierigen Kurven“ von und im Punkt ebenfalls die Steigungen und zu. In kurzer Schreibweise:

bzw. .

Die Näherungen und sind so gewählt, dass sie im Punkt selbst perfekt sind (Tangentenprinzip), es herrscht dann im Grenzfall sogar Gleichheit: bzw. , also kurz

bzw. .

Es ist nun naheliegend, dass sich ihr Produkt über das Produkt dieser Näherungen wieder annähert. Zum Beispiel sind, zunächst einzeln betrachtet, die Zahlen und gute Näherungen für die Zahlen und , ergo ist deren Produkt eine Näherung für kurz

Nehmen nun und gedanklich den Platz von und , sowie und von und in der oberen Anschauung ein, gilt diesem Gedanken folgend

und

Durch Ausmultiplizieren von , und anschließendes termweises Zusammenfassen, erhält man daraus

Der Term ist für sehr kleine Werte verschwindend geringer als jede von Null verschiedene lineare Annäherung noch messen könnte (das Produkt zweier kleiner Zahlen ist „umso kleiner“), daher kann er bei der linearen Näherung des Produktes ignoriert werden:

Auf der rechten Seite steht nun wieder eine lineare Näherung. Die Steigung von im Punkt ist also .

Exakt dieselbe Überlegung gilt für beliebige feste Punkte , wenn man oben durch in den Näherungstermen ersetzt. Die „kreuzweise“ Gestalt der Produktregel ist also schlicht das Resultat des mittleren Termes von in ausmultiplizierter Form. In diesem Sinne muss sie nicht auswendig gelernt werden, sondern kann diesen Gedanken durch elementare Rechnungen aus oberer Heuristik jederzeit hergeleitet werden.

Aussage der Produktregel

Sind die Funktionen und von einem Intervall in die Menge der reellen oder der komplexen Zahlen an einer Stelle differenzierbar, so ist auch die durch

für alle

definierte Funktion an der Stelle differenzierbar, und es gilt[1]

oder kurz:

Letztere Schreibweise ist besonders dann in Gebrauch, wenn und , also damit auch , im gesamten Definitionsbereich differenzierbar sind.

Geschichte

Gottfried Wilhelm Leibniz

Als Entdecker der Produktregel wird in der Literatur häufig Gottfried Wilhelm Leibniz genannt, der sie in seiner bahnbrechenden Nova Methodus pro Maximis et Minimis (1684), dem ersten Werk über das Kalkül der Infinitesimalrechnung, zusammen mit Summen- und Quotientenregel publizierte.[2][3] Allerdings hatte Leibniz bereits im November 1675 in einem Manuskript mit dem Titel Pro methodo tangentium inversa et aliis tetragonisticis specimina et inventa die Regel

formuliert, und diese „einen äußerst bemerkenswerten und für alle Kurven geltenden Satz“ bezeichnet.[4] Hierbei nutzte er seine eigens eingeführte Notation für infinitesimale Größen. In einer weiteren Arbeit vom 11. Juli 1677 lieferte Leibniz schließlich erste Beweise für sowohl Produkt- als auch Quotientenregel. Um zu zeigen, schreibt Leibniz

und argumentiert, dass die Größe „unendlich viel kleiner“ sei verglichen zum Rest, womit nur noch überbleibt.[5] Auch war Leibniz im Jahr 1710 im Stande, eine allgemeine Form der Produktregel zu formulieren. Diese bezieht sich auf höhere Ableitungen eines Produktes, also zweite, dritte, vierte, usw. Ableitung. Leibniz schrieb:[6]

etc.,
etc.,

wobei er die Notationen für die -te Potenz und für das -te Differential verwendete. Leibniz erkannte, dass die allgemeine Produktregel in direkter Verbindung zum binomischen Lehrsatz stand, und sich diese durch die Analogie zwischen dimensionsgebundener Homogenität (im Sinne gleicher Potenzen in Polynomen) und Potenzen unendlich kleiner Größen ausdrückt.[7] In einer Leibniz-Übersetzung im Jahr 1920 behauptete J. M. Child jedoch, dass Isaac Barrow die Produktregel, wie auch andere Techniken, zuvor entwickelt habe. Dort heißt es:

Newton, with his great knowledge of and inclination toward geometrical reasoning, backed with his personal intercourse with Barrow, could appreciate the finality of Barrow's proofs of the differentiation of a product, quotient, power, root, logarithm and exponential, and the trigonometrical functions, in a way that Leibniz could not.“

„Newton, mit seiner großen Kenntnis und Neigung zu geometrischem Denken, unterstützt durch seinen persönlichen Verkehr mit Barrow, konnte die Bedeutung von Barrows Beweisen für die Differenzierung eines Produkts, eines Quotienten, einer Potenz, einer Wurzel, eines Logarithmus und eines Exponentials sowie der trigonometrischen Funktionen in einer Weise schätzen, wie es Leibniz nicht konnte.“

J. M. Child[8]

Bereits im Jahr 1916 hatte Child eine englische Übersetzung von Teilen der Lectiones Geometricae von Barrow veröffentlicht,[9] in deren Vorwort er Barrow zu dem eigentlichen und einzigen Erfinder der Differential- und Integralrechnung erhoben hatte. Damit ging Child nach Einschätzung von Thomas Sonar jedoch zu weit, denn man könne aus Barrows geometrischen Konstruktionen den Hauptsatz zwar herauslesen, allerdings hätte Child dies aus der Position des heutigen, mathematisch gebildeten Menschen getan. Barrow wäre es laut Sonar hingegen versagt geblieben, diese tiefe Einsicht aus seinen eigenen Arbeiten zu gewinnen.[10]

Anwendungsbeispiele

Im Folgenden sei stets

  • Ist und so erhält man aus der Kenntnis von und mit der Produktregel die Aussage
  • Ist und so ist also ist
und durch Umformen erhält man die Aussage

Verwendet man die Kurznotation so erhält man beispielsweise für die Ableitung folgender Funktion


Ausmultipliziert ergibt sich

Erklärung und Beweis

Geometrische Veranschaulichung des Beweises der Produktregel.
Die beiden hellblauen Streifen ergeben in Kombination die Produktregel.

Das Produkt zweier reeller (an einer Stelle differenzierbarer) Funktionen und hat an der Stelle den Wert der als Flächeninhalt eines Rechtecks mit den Seiten und gedeutet werden kann. Ändert sich nun um so ändert sich um und um Die Änderung des Flächeninhalts setzt sich dann (siehe Abbildung) zusammen aus

Dividiert man durch so ergibt sich mit

der Differenzenquotient der Produkt- oder Flächeninhaltsfunktion an der Stelle

Für gegen strebt auch (und damit der ganze letzte Summand) gegen sodass man an der Stelle

erhält, wie behauptet. Dies ist auch im Wesentlichen die Argumentation, wie sie sich in einem ersten Beweis der Produktregel 1677 in einem Manuskript von Leibniz findet. Die Produktregel, die er dort gemeinsam mit der Quotientenregel beweist, war damit eine der ersten Regeln zur Anwendung der Infinitesimalrechnung, die er herleitete. Er benutzte allerdings keinen Grenzwert, sondern noch Differentiale und schloss, dass wegfällt, weil es im Vergleich zu den anderen Summanden infinitesimal klein sei. Euler benutzte noch dasselbe Argument, erst bei Cauchy findet sich ein Beweis mit Grenzwerten:

Gegeben sei die Funktion durch Die Ableitung von an einer Stelle ist dann durch den Grenzwert des Differenzenquotienten

gegeben. Addition und Subtraktion des Terms liefert

Das Ausführen der beiden Grenzübergänge liefert die Produktregel

Verallgemeinerungen

Höhere Ableitungen und Faktorenzahl

Auch die Regel für Ableitungen -ter Ordnung für ein Produkt aus zwei Funktionen war schon Leibniz bekannt und wird entsprechend manchmal ebenfalls als Leibnizsche Regel bezeichnet. Sie ergibt sich aus der Produktregel mittels vollständiger Induktion zu[11]

Die hier auftretenden Ausdrücke der Form sind Binomialkoeffizienten. Die obige Formel enthält die eigentliche Produktregel als Spezialfall und impliziert, das der -Vektorraum der -mal differenzierbaren Funktionen auf sogar eine -Algebra ist. Einfach gesprochen folgt also, dass wenn und jeweils mal differenzierbar sind, dies auch auf ihr Produkt zutrifft. Sie hat auffallende Ähnlichkeit zum binomischen Lehrsatz

Diese Ähnlichkeit ist kein Zufall, der übliche Induktionsbeweis läuft in beiden Fällen vollkommen analog; man kann die Leibnizregel aber auch mit Hilfe des binomischen Satzes beweisen.

Für höhere Ableitungen von mehr als zwei Faktoren lässt sich ganz entsprechend das Multinomialtheorem übertragen. Es gilt:

mit den Multinomialkoeffizienten . Für den Spezialfall lässt sich daraus

,
,
usw.

herleiten. Allgemein ist für eine differenzierbare Funktion die sich als Produkt von differenzierbaren Funktionen schreiben lässt, die Ableitung

wobei das Produktzeichen bezeichnet. Haben die Funktionen keine Nullstellen, so kann man diese Regel auch in der übersichtlichen Form

schreiben; derartige Brüche bezeichnet man als logarithmische Ableitungen. Hintergrund dabei ist die Identität .

Komplexe Differenzierbarkeit

Die Produktregel gilt auch für komplex differenzierbare Funktionen: Es sei offen und komplex differenzierbar in . Dann ist ebenfalls komplex differenzierbar in , und es gilt

Insbesondere gilt: Sind und holomorph in , so folgt in ganz und die Abbildung ist erneut holomorph in .

Produkte von Vektoren und Matrix-Vektor-Produkte

Beim Beweis der Produktregel werden aus den Werten von Linearkombinationen (Summen, Differenzen, Produkte mit Zahlen) gebildet, ebenso aus den Werten von Die Rollen von und sind dabei klar getrennt: ist der linke Faktor, der rechte. Der Beweis überträgt sich deswegen auf alle Produktbildungen, die sowohl im linken als auch im rechten Faktor linear sind. Insbesondere gilt die Produktregel auch für

Vektoren bzw. Matrizen sind dabei als Funktionen einer unabhängigen Variablen zu verstehen.

Höherdimensionaler Definitionsbereich

Verallgemeinert man auf Funktionen mit höherdimensionalem Definitionsbereich, so lässt sich die Produktregel wie folgt formulieren: Es seien eine offene Teilmenge, differenzierbare Funktionen und ein Richtungsvektor. Dann gilt die Produktregel für die Richtungsableitung:[12]

Entsprechend gilt für die Gradienten

In der Sprache der differenzierbaren Mannigfaltigkeiten lauten diese beiden Aussagen:

  • Sind ein Tangentialvektor und lokal differenzierbare Funktionen, dann gilt
  • Sind lokal differenzierbare Funktionen, so gilt die folgende Beziehung zwischen den äußeren Ableitungen:

Höhere partielle Ableitungen

Sei Dann gilt:[13]

Allgemeine differenzierbare Abbildungen

Es seien ein offenes Intervall, eine Banachalgebra (z. B. die Algebra der reellen oder komplexen -Matrizen) und differenzierbare Funktionen. Dann gilt:

Dabei bezeichnet »·« die Multiplikation in der Banachalgebra.

Sind allgemeiner und Banachräume, und differenzierbare Funktionen, so gilt ebenfalls eine Produktregel, wobei die Funktion des Produktes von einer Bilinearform übernommen wird. Von dieser wird verlangt, dass sie stetig ist, also beschränkt:

für alle

mit einer festen Konstante . Dann gilt die Produktregel

Entsprechende Aussagen gelten für höherdimensionale Definitionsbereiche.

Leibniz-Regel für dividierte Differenzen

Die Leibnizregel lässt sich auf dividierte Differenzen übertragen:[14]

Der Spezialfall

mit

schließt die originale Leibnizregel mit ein.

Abstraktion: Derivationen

Allgemein nennt man Abbildungen welche die Produktregel

erfüllen, Derivationen. Die Reihenfolge der Faktoren ist hier für den Fall einer Derivation mit einer Algebra und einem -Linksmodul gewählt.

Im Zusammenhang mit - oder -graduierten Algebren („Superalgebren“) muss der Begriff der Derivation jedoch durch den der Antiderivation ersetzt werden. Die entsprechende Gleichung lautet dann

für homogene Elemente Dabei bezeichnet den Grad von Das prominenteste Beispiel einer Antiderivation ist die äußere Ableitung für Differentialformen

Literatur

Die Produktregel für Funktionen wird in jedem Buch erläutert, das Differentialrechnung in allgemeiner Form behandelt.

  • Otto Forster: Analysis 1. Differential- und Integralrechnung einer Veränderlichen. 7. Auflage. Vieweg, Braunschweig 2004, ISBN 3-528-67224-2.
  • Otto Forster: Analysis 2. Differentialrechnung im Rn. Gewöhnliche Differentialgleichungen. 6. Auflage. Vieweg, Braunschweig 2005, ISBN 3-528-47231-6.
  • Konrad Königsberger: Analysis. 2 Bde. Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-41282-4.
  • C. H. Edwards Jr.: The Historical Development of the Calculus. Springer, New York 1979.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Herbert Amann, Joachim Escher: Analysis 1, Dritte Auflage, Birkhäuser, S. 321.
  2. Gottfried Wilhelm Leibniz: Nova Methodus pro Maximis et Minimis, S. 467
  3. John Stillwell: Mathematics and Its History, Springer, S. 171.
  4. J. M. Child: The Early Mathematical Manuscripts Of Leibniz, S. 107.
  5. C. H. Edwards: The Historical Development of the Calculus, Springer, S. 255–256.
  6. Gottfried Wilhelm Leibniz: Mathematische Schriften V, S. 379–380.
  7. H. J. M. Bos: Differentials, Higher-Order Differentials and the Derivative in the Leibnizian Calculus, Arch. Hist. Exact Sci. 14, 1975, S. 33.
  8. J. M. Child: The Early Mathematical Manuscripts Of Leibniz, S. 28–29, Fußnote 58.
  9. J. M. Child: Geometrical Lectures of Isaac Barrow. Chicago, London, 1916.
  10. Thomas Sonar: 3000 Jahre Analysis, Springer, S. 330.
  11. Herbert Amann, Joachim Escher: Analysis 1, Dritte Auflage, Birkhäuser, S. 325.
  12. Herbert Amann, Joachim Escher: Analysis 2, Zweite Auflage, Birkhäuser, S. 175.
  13. Lawrence C. Evans: Partial Differential Equations. ISBN 0-8218-0772-2, 19. Auflage, S. 12.
  14. De Boor: Divided Differences. Surveys in Approximation Theory. Band 1, 2005, S. 46–69.

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