Zusammenhang von Differenzierbarkeit und Stetigkeit

Es zeigt sich, dass aus der Differenzierbarkeit einer Funktion ihre Stetigkeit folgt, umgekehrt muss jedoch eine stetige Funktion nicht differenzierbar sein.

Satz 15J3 (Stetigkeit differenzierbarer Funktionen)

Wenn eine Funktion ff in x0x_0 differenzierbar ist, so ist ff dort auch stetig.

Beweis

Nach Satz 15VC gilt:
f(x)=f(x0)+f(x0)(xx0)+R(x)(xx0)f(x)=f(x_0)+f\, '(x_0)\cdot(x-x_0)+R(x)\cdot(x-x_0)
mit limxx0R(x)=0\lim_{x\rightarrow x_0}R(x)=0.
Dann ist
limxx0f(x)\lim_{x\rightarrow x_0}f(x) =limxx0(f(x0)+f(x0)(xx0)+R(x)(xx0))=f(x0)=\lim_{x\rightarrow x_0}\braceNT{f(x_0)+f\, '(x_0)\cdot(x-x_0)+R(x)\cdot(x-x_0)}=f(x_0),
und nach Satz 5225F ist ff an der Stelle x0x_0 stetig. \qed
Die Umkehrung von Satz 15J3 muss nicht gelten, wie die folgenden Beispiele verdeutlichen.
 
 

Beispiele für stetige, nicht differenzierbare Funktionen

Beispiel 166A (Betragsfunktion)

Die Betragsfunktion ist an der Stelle x0=0x_0=0 stetig, aber nicht differenzierbar. Der Differenzenquotient hat die Form:
ΔyΔx=f(x)f(x0)xx0=xx\dfrac {\Delta y}{\Delta x}=\dfrac { f(x)-f(x_0)} {x-x_0}= \dfrac {|x|} x.
Er nimmt für x>0x>0 den Wert 1 und für x<0x<0 den Wert -1 an. Damit kann sein Grenzwert für x0x\rightarrow 0 nicht existieren und die Funktion ist an dieser Stelle nicht ableitbar.
Noch unübersichtlicher ist die Situation in folgendem Beispiel.
xsin1durchx.png
In Beispiel 15J5 hatten wir gezeigt, dass
limx0xsin1x=0\lim_{x\rightarrow 0}x\cdot \sin\dfrac 1 x=0
gilt. Wenn man nun eine Funktion mit f(0)=0f(0)=0 und f(x)=xsin1xf(x)=x\cdot \sin\dfrac 1 x für x0x\neq0 definiert, so ist diese an der Stelle x0=0x_0=0 sicher stetig (Funktionsgrenzwert stimmt mit Funktionswert überein!) Für den Differenzenquotienten gilt:
f(0+h)f(0)h=f(h)h=sin1h\dfrac {f(0+h)-f(0)} h =\dfrac {f(h)} h= \sin\dfrac 1 h
Dieser Ausdruck hat für h0h\rightarrow 0 keinen Grenzwert sondern oszilliert heftigst.
Die Stetigkeit einer differenzierbaren Funktion ist nicht damit zu verwechseln, dass die Ableitung als Funktion betrachtet stetig ist. Dies muss nicht notwendigerweise der Fall sein.
Wir betrachten die durch f(0)=0f(0)=0 und f(x)=x2sin1xf(x)=x^2\cdot \sin\dfrac 1 x für x0x\neq0 definierte Funktion.
ff ist differenzierbar. Für x0x\neq 0 können wir ihre Ableitung nach den bekannten Regeln mit
f(x)=2xsin1xcos1xf\, '(x)=2 x\cdot\sin\dfrac 1 x -\cos\dfrac 1 x
berechnen.
Für x=0x=0 müssen wir zur Definition der Ableitung greifen:
f(0)=limh0f(0+h)f(0)hf\, '(0)=\lim_{h\rightarrow 0}\dfrac {f(0+h)-f(0)} h =limh0h2sin1hh=\lim_{h\rightarrow 0} \dfrac {h^2\sin\dfrac 1 h} h =limh0hsin1h=0=\lim_{h\rightarrow 0}h\cdot\sin\dfrac 1 h=0 (siehe Beispiel 15J5)
Damit existiert die Ableitung auch für x=0x=0. Die Funktion f(x)f\, '(x) strebt für x0x\rightarrow 0 jedoch gegen keine Grenzwert, da dies am Term cos1x\cos\dfrac 1 x scheitert.
Damit ist die Ableitung für x=0x=0 unstetig.

Wer die erhabene Weisheit der Mathematik tadelt, nährt sich von Verwirrung.

Leonardo da Vinci

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