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Flächenberechnungen

Fläche zwischen Graph und x-Achse

Ein Flächeninhalt zählt jedes Flächenstück positiv, auch die Stücke unter der x-Achse. Das Integral zählt die Stücke unter der x-Achse negativ.

Zum Beispiel: Wie groß ist die Fläche zwischen dem Graphen von und der x-Achse von bis ?

Gerade f(x) = 2x − 4 mit zwei Dreiecken A₁ und A₂ von 0 bis 4

Die Fläche besteht aus zwei Dreiecken, jedes 2 breit und 4 hoch:

Zusammen sind das FE (Flächeneinheiten; 1 FE ist ein Kästchen, 1 breit und 1 hoch).

Und das Integral von 0 bis 4?

Das Integral ist 0. Die Fläche ist 8 FE.

Nullstelle: , also . Dort wechselt der Graph die Seite. Wir teilen bei 2 und integrieren jedes Stück für sich:

Stück von 0 bis 2 (unter der x-Achse)Stück von 2 bis 4 (über der x-Achse)zusammen
Integral
Flächeninhalt

Das Minus sagt nur: Dieses Stück liegt unter der x-Achse. Der Betrag macht aus jedem Teilintegral (dem Integral über ein Stück) seinen Flächeninhalt:

Welche Zahl gilt? Das sagt die Aufgabe:

AufgabeAntwort
„Berechne das Integral von 0 bis 4."
„Berechne den Flächeninhalt von 0 bis 4." FE

Bei einer Geraden reichen Dreiecke. Bei einer Kurve rechnet nur das Integral. Wie groß ist die Fläche zwischen dem Graphen von und der x-Achse von bis ?

Parabel x² − 4 von 0 bis 3: Stück A₁ unter, Stück A₂ über der x-Achse

Nullstellen: , also und . Zwischen 0 und 3 liegt nur .

Stammfunktion: . Ihre Werte an den Grenzen der Stücke:

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 2
von 2 bis 3

Die Fläche ist etwa 7,67 FE groß. Das Integral über das ganze Intervall ist .

Schema: So wird der Flächeninhalt zwischen dem Graphen von f und der x-Achse auf einem Intervall von a bis b berechnet, allgemein für jede Funktion.

1. Nullstellen von f bestimmen: lösen. 2. Nur die Nullstellen zwischen a und b behalten. Sie teilen das Intervall in Stücke. 3. Stammfunktion F bilden und für jedes Stück das Teilintegral berechnen. 4. Die Beträge der Teilintegrale addieren. 5. Antwort mit Einheit: FE.

Merken: An jeder Nullstelle im Intervall teilen. Jedes Teilintegral bekommt seinen eigenen Betrag. Die Beträge addieren.

Weitere Beispiele:

Fünf Beispiele a) bis e): Flächenstücke über und unter der x-Achse

a) von 0 bis 3. Nullstellen: keine, ist immer positiv. mit und .

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 3

FE

b) von 0 bis 3. Nullstellen: und . Keine liegt zwischen 0 und 3, denn 3 ist der Rand. mit und .

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 3

FE

c) von bis 2. Nullstelle: 0. mit , und .

StückTeilintegralBetrag
von bis 0
von 0 bis 2

FE

d) von bis 3. Nullstellen: , also , 0 und 2. Zwischen und 3 liegen 0 und 2. mit

StückTeilintegralBetrag
von bis 0
von 0 bis 2
von 2 bis 3

FE

e) von 0 bis . Nullstelle: . mit , und .

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis
von bis

FE

Jetzt ihr
von 0 bis 2
Lösung
Nullstelle 1; Teilintegrale und ; FE

Übungen:

Berechnet den Flächeninhalt zwischen dem Graphen von f und der x-Achse im angegebenen Intervall.

a) von 0 bis 3

b) von 0 bis 5

c) von 0 bis 2

d) von 0 bis

e) von 0 bis 4

Lösungen Schritt für Schritt:

a) Nullstellen: , also 0 und 2. Zwischen 0 und 3 liegt 2. mit

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 2
von 2 bis 3

FE

b) Nullstelle: , also 3. mit

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 3
von 3 bis 5

FE

c) Nullstellen: , also , 0 und 1. Zwischen 0 und 2 liegt 1, denn 0 ist der Rand. mit

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 1
von 1 bis 2

FE

d) Nullstellen von zwischen 0 und : nur . mit

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis
von bis

FE

e) Nullstellen: , pq-Formel: , also 1 und 3. mit

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 1
von 1 bis 3
von 3 bis 4

FE

Die eingeschlossene Fläche

Eine eingeschlossene Fläche ist ringsum begrenzt, vom Graphen und von der x-Achse. Ihre Grenzen liefert darum der Graph selbst: Es sind seine Nullstellen.

Zum Beispiel: Welche Fläche schließt der Graph von mit der x-Achse ein?

Parabel x² − 4 schließt mit der x-Achse eine Fläche von −2 bis 2 ein

Nullstellen: , also und . Das sind die Grenzen. mit

StückTeilintegralBetrag
von bis 2

FE

Hat der Graph mehr als zwei Nullstellen, liegen dazwischen mehrere Stücke. Welche Fläche schließt der Graph von mit der x-Achse ein?

Graph von x³ − 4x mit zwei gleich großen Flächenstücken A₁ und A₂

Nullstellen: , also , 0 und 2. Die äußeren Grenzen sind und 2, die Nullstelle 0 teilt. mit

StückTeilintegralBetrag
von bis 0
von 0 bis 2

FE

Ohne Teilen, von bis 2 in einem Stück: , und auch der Betrag davon ist .

Schema: So wird die Fläche berechnet, die ein Graph mit der x-Achse einschließt, allgemein für jede Funktion.

1. Nullstellen von f bestimmen: lösen. 2. Die kleinste und die größte Nullstelle sind die Grenzen. Jede Nullstelle dazwischen teilt. 3. Stammfunktion F bilden und für jedes Stück das Teilintegral berechnen. 4. Die Beträge der Teilintegrale addieren: FE.

Merken: Steht kein Intervall in der Aufgabe, sind die Nullstellen die Grenzen.

Weitere Beispiele:

Drei Beispiele a) bis c): eingeschlossene Flächen mit der x-Achse

a) . Nullstellen: , also 0 und 2. mit und .

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 2

FE

b) . Nullstellen: , also , 0 und 2. Bei 0 berührt der Graph die x-Achse nur (Berührstelle); er bleibt auf derselben Seite. mit

StückTeilintegralBetrag
von bis 0
von 0 bis 2

FE. Beide Teilintegrale haben dasselbe Vorzeichen: Die Teilung bei der Berührstelle 0 ändert nichts.

c) . Nullstellen mit :

Grenzen und 2, dazwischen teilen und 1. mit

StückTeilintegralBetrag
von bis
von bis 1
von 1 bis 2

FE

Jetzt ihr
Lösung
Grenzen und 3; Teilintegral ; FE

Übungen:

Berechnet den Inhalt der Fläche, die der Graph von f mit der x-Achse einschließt.

a)

b)

c)

d)

Lösungen Schritt für Schritt:

a) Nullstellen: , also und 1. mit und .

StückTeilintegralBetrag
von bis 1

FE

b) Nullstellen: , also 0 und 4. mit und .

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 4

FE

c) Nullstellen: , also oder mit der pq-Formel , damit 0, 2 und 4. Grenzen 0 und 4, dazwischen teilt 2. mit

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 2
von 2 bis 4

FE

d) Nullstellen: , also 0 und 3. Bei 3 berührt der Graph die x-Achse nur. mit und

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 3

FE

Fläche zwischen zwei Graphen

Die Fläche zwischen zwei Graphen besteht aus lauter schmalen senkrechten Streifen. Jeder Streifen ist so hoch, wie der obere Graph über dem unteren liegt: .

Zum Beispiel: Welche Fläche schließen die Graphen von und ein?

Fläche zwischen y = 4 und y = x² mit einem Streifen der Höhe 3 bei x = 1

Herleitung: Ein Streifen ist ein schmales Rechteck.

Alle Streifen zusammen, von einem Schnittpunkt bis zum anderen, ergeben das Integral:

Die Grenzen und sind die Schnittstellen (die x-Werte der Schnittpunkte). Dort haben beide Graphen dasselbe y, also gilt :

Die Streifenhöhe ist eine eigene Funktion, die Differenzfunktion d (d wie Differenz). Ihre Stammfunktion heißt D, also :

Zwischen den beiden Schnittstellen liegt ein Stück:

StückTeilintegralBetrag
von bis 2

FE

Und wenn die Fläche unter der x-Achse liegt? Wir schieben beide Graphen nach unten.

Dieselbe Fläche dreimal, um 0, 2 und 4 nach unten verschoben
verschobenoberer Graphunterer GraphStreifenhöhe
nicht
2 nach unten
4 nach unten

Die Streifen bleiben gleich hoch, also bleibt die Fläche gleich. In der letzten Zeile ist der obere Graph : die x-Achse selbst.

Merken: Für die Fläche zwischen zwei Graphen spielt die x-Achse keine Rolle. Es zählt nur die Streifenhöhe .

Welcher Graph oben liegt, müsst ihr nicht vorher wissen. Andersherum gerechnet ändert sich nur das Vorzeichen:

Schema: So wird die Fläche berechnet, die zwei Graphen einschließen, allgemein für jedes Paar von Funktionen.

1. Schnittstellen bestimmen: lösen. 2. Differenzfunktion bilden: . 3. Stammfunktion D bilden und zwischen je zwei benachbarten Schnittstellen das Teilintegral berechnen. 4. Die Beträge der Teilintegrale addieren: FE.

Weitere Beispiele:

Vier Beispiele a) bis d): Fläche zwischen zwei Graphen

a) , . Schnittstellen: , also und mit der pq-Formel : und 2. , mit

StückTeilintegralBetrag
von bis 2

FE

b) , . Schnittstellen: , also : und 2. , mit

StückTeilintegralBetrag
von bis 2

FE

c) , . Schnittstellen: , also : und 1. , mit und .

StückTeilintegralBetrag
von bis 1

FE

d) , . Schnittstellen: , quadriert , also : 0 und 1. , mit und .

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 1

FE

Jetzt ihr
,
Lösung
Schnittstellen 0 und 5; ; FE

Übungen:

Berechnet den Inhalt der Fläche, die die Graphen von f und g einschließen.

a) ,

b) ,

c) ,

d) , zwischen und

Lösungen Schritt für Schritt:

a) Schnittstellen: , also : 0 und 3. , mit und .

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 3

FE

b) Schnittstellen: , also und : und 1. , mit und .

StückTeilintegralBetrag
von bis 1

FE

c) Schnittstellen: , also und : 0 und 4. , mit und .

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 4

FE

d) Schnittstellen: , also : und . , mit und .

StückTeilintegralBetrag
von bis

FE

Mehrere Schnittstellen

Schneiden sich zwei Graphen mehr als zweimal, liegt mal der eine oben, mal der andere. Zwischen je zwei benachbarten Schnittstellen liegt dann ein eigenes Flächenstück.

Zum Beispiel: Welche Fläche schließen die Graphen von und ein?

Graphen von x³ und 4x mit zwei gleich großen Flächenstücken

Schnittstellen: , also und : , 0 und 2.

Ohne Teilen, von bis 2 in einem Stück: . Das Integral ist 0, die Skizze zeigt zwei Flächenstücke. Bei 0 wechseln oben und unten, dort wechselt d das Vorzeichen. Also teilen wir bei 0:

StückTeilintegralBetrag
von bis 0
von 0 bis 2

FE

Schema: So wird die Fläche zwischen zwei Graphen berechnet, allgemein für beliebig viele Schnittstellen.

1. Schnittstellen bestimmen: lösen. Ist ein Intervall vorgegeben, zählen nur die Schnittstellen darin, und die Intervallränder sind die äußeren Grenzen. 2. Differenzfunktion bilden: . 3. Stammfunktion D bilden und zwischen je zwei benachbarten Grenzen das Teilintegral berechnen. 4. Die Beträge der Teilintegrale addieren: FE.

Merken: An jeder Schnittstelle teilen. Jedes Teilintegral bekommt seinen eigenen Betrag. Die Beträge addieren.

Weitere Beispiele:

Vier Beispiele a) bis d): Flächen zwischen Graphen mit mehreren Schnittstellen

a) , . Schnittstellen: : , 0 und 1. , mit , und .

StückTeilintegralBetrag
von bis 0
von 0 bis 1

FE

b) , . Schnittstellen: , also oder : , 0 und 2. , mit

StückTeilintegralBetrag
von bis 0
von 0 bis 2

FE

c) , . Schnittstellen: : , 0 und 1. Bei 0 berühren sich die Graphen nur. , mit

StückTeilintegralBetrag
von bis 0
von 0 bis 1

FE

d) , im Intervall von 0 bis 2. Schnittstellen: : 0 und 1. Grenzen 0 und 2, dazwischen teilt 1. , mit

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 1
von 1 bis 2

FE

Jetzt ihr
,
Lösung
Schnittstellen 0, 1 und 2; Teilintegrale und ; FE

Übungen:

Berechnet den Inhalt der Fläche zwischen den Graphen von f und g.

a) ,

b) ,

c) , im Intervall von 0 bis 4

d) , im Intervall von 0 bis

Lösungen Schritt für Schritt:

a) Schnittstellen: : , 0 und 3. , mit

StückTeilintegralBetrag
von bis 0
von 0 bis 3

FE

b) Schnittstellen: : , 0 und 1. , mit , und .

StückTeilintegralBetrag
von bis 0
von 0 bis 1

FE

c) Schnittstellen: : 0 und 3. Grenzen 0 und 4, dazwischen teilt 3. , mit

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis 3
von 3 bis 4

FE

d) Schnittstellen: , also : 0, und . Grenzen 0 und , dazwischen teilt . , mit , und .

StückTeilintegralBetrag
von 0 bis
von bis

FE