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Stammfunktionen
Integrieren: die Ableitung rückwärts
Integrieren ist Ableiten rückwärts: Die Ableitung ist gegeben, gesucht ist die Funktion, aus der sie entstanden ist.
Zum Beispiel ist gegeben. Welche Funktion hat die Ableitung ? Das ist , denn .
Die Ableitung stammt von ab. Darum heißt eine Stammfunktion von .
Eine Funktion heißt Stammfunktion von , wenn gilt.
Manche sagen statt integrieren auch „aufleiten“, als Gegenstück zu ableiten. Das Fachwort ist integrieren.
Mit Namen heißt das Paar und . Im Bild ist die Höhe des Graphen von , und ist seine Steigung an derselben Stelle:
Bei und bei hat die Parabel dieselbe Höhe 1. Ihre Steigungen sind verschieden, nämlich und . Genau das sind die Werte von : und .
Welche Funktion hat die Ableitung ? Beim Ableiten sinkt der Exponent um 1. Die gesuchte Funktion hat also den Exponenten 4. Wir versuchen . So ein erster Versuch heißt Ansatz.
Das ist das Vierfache von . Also nehmen wir ein Viertel:
Probe: Ableiten muss wieder ergeben.
✓
Schema: Stammfunktion durch Rückwärtsdenken
Das eben Gerechnete, allgemein:
1. Ansatz: eine Funktion, deren Ableitung wie aussieht, nur mit einer anderen Zahl davor. 2. Den Ansatz ableiten. 3. Mit dem passenden Faktor korrigieren. Das ergibt . 4. Probe: ✓
Prüfungsaufgabe: „Geben Sie eine Stammfunktion von an.“
Beispiele
a)
Probe: ✓
b)
Probe: ✓
c)
Probe: ✓
d)
Probe: ✓
e)
Probe: ✓
f)
Probe: ✓
g)
Probe: ✓
h)
gibt es für und für . Der Ansatz gibt es nur für . Mit dem Betrag bekommt man beide Seiten in eine Formel:
Probe für beide Stücke, das zweite mit der Kettenregel:
Merken: Integrieren heißt rückwärts denken: Ansatz ableiten, mit einem Faktor korrigieren, Probe machen.
Jetzt du: Findet eine Stammfunktion von .
(Lösung: . Probe: ✓)
Nachweis durch Ableiten
Ist schon gegeben, entscheidet allein die Probe.
Prüfungsaufgabe: „Zeigen Sie, dass eine Stammfunktion von ist.“
a) und
✓
ist eine Stammfunktion von .
b) und
Der Summand ist zu viel: ✗
ist keine Stammfunktion von .
Jetzt du: Zeigt, dass eine Stammfunktion von ist.
(Lösung: ✓)
Übungen
Findet je eine Stammfunktion. Macht die Probe.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Zeigt oder widerlegt: ist eine Stammfunktion von .
h) und
i) und
Lösungen Schritt für Schritt
a)
Ansatz:
Faktor :
Probe: ✓
b)
Ansatz:
Faktor 1:
Probe: ✓
c)
Ansatz:
Faktor 4:
Probe: ✓
d)
Ansatz:
Faktor 3:
Probe: ✓
e)
Ansatz:
Faktor 1:
Probe: ✓
f)
Ansatz:
Faktor 2:
Probe: ✓
g)
Ansatz:
Faktor :
Probe: ✓
h) ✓
ist eine Stammfunktion von .
i)
✗
ist keine Stammfunktion von .
Alle Stammfunktionen: die Konstante c
Zu jeder Funktion gibt es unendlich viele Stammfunktionen. Alle diese Funktionen haben zum Beispiel die Ableitung :
Die Zahl am Ende fällt beim Ableiten weg. Im Bild ist es dieselbe Parabel, nach oben oder unten verschoben. An jeder Stelle haben alle drei dieselbe Steigung:
Rückwärts kommt die weggefallene Zahl nicht zurück. Sie kann jede Zahl sein. Wir schreiben dafür :
heißt Integrationskonstante. Für darf jede feste Zahl stehen.
Welche Funktionen haben die Ableitung 3? Alle Geraden mit der Steigung 3:
Hier ist der y-Achsenabschnitt, das aus .
Das Integralzeichen
Für „alle Stammfunktionen von “ gibt es ein eigenes Zeichen:
Man liest: „Integral von dx“. Das sagt: Die Variable ist .
Die linke Seite heißt unbestimmtes Integral. Unbestimmt heißt: Das auf der rechten Seite ist noch offen.
Allgemein gilt:
Beispiele
a)
b)
c)
d)
e)
f) (die Variable heißt , darum )
g)
Probe zu d): ✓. Beim Ableiten fällt wieder weg.
Merken: Beim Integrieren kommt immer dazu: .
Jetzt du:
(Lösung: . Probe: ✓)
Theorie: Warum es keine weiteren Stammfunktionen gibt
Gibt es zu vielleicht noch eine ganz andere Stammfunktion, keine verschobene Parabel? Nehmt zwei Stammfunktionen und derselben Funktion . Ihre Differenz hat die Ableitung 0:
Ein Graph ohne Lücke mit der Steigung 0 an jeder Stelle ist eine waagerechte Gerade. Die Differenz ist also eine feste Zahl:
Zwei Stammfunktionen unterscheiden sich also nur um eine Zahl. Darum sind alle Stammfunktionen von .
Übungen
Berechnet das unbestimmte Integral. Macht die Probe.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Lösungen Schritt für Schritt
a) Ansatz:
Faktor :
Probe: ✓
b) Ansatz:
Faktor 7:
Probe: ✓
c) Ansatz:
Faktor 3:
Probe: ✓
d) Ansatz:
Faktor 1:
Probe: ✓
e) Ansatz:
Faktor 2:
Probe: ✓
f) Ansatz:
Faktor 3:
Probe: ✓
g) Ansatz:
Faktor 2:
Probe: ✓
Die Stammfunktion durch einen Punkt
Ein Punkt legt fest, welche Stammfunktion gemeint ist: Von allen verschobenen Graphen geht genau einer durch ihn.
Welche Stammfunktion von geht durch den Punkt ? Alle Stammfunktionen von sind . An der Stelle hat jede dieser Parabeln eine andere Höhe:
Die gesuchte Stammfunktion heißt . Sie hat die Form , nur ist noch unbekannt. Ihr Graph geht durch . Das heißt: An der Stelle 2 hat den Wert 7, also .
Ergebnis:
Probe: ✓
Schema: Stammfunktion durch einen Punkt
Das eben Gerechnete, allgemein, für einen Punkt :
1. Integrieren: . 2. Den Punkt einsetzen: . 3. Nach auflösen. 4. in einsetzen.
Prüfungsaufgabe: „Bestimmen Sie die Stammfunktion von , deren Graph durch den Punkt verläuft.“
Beispiele
a) und
: , also und
Ergebnis:
b) und
: , also und
Ergebnis:
c) und
: , also und
Ergebnis:
d) und
: , also und
Ergebnis:
Hinweis: Fährt ein Auto geradeaus von einer Kreuzung weg, ist die Ableitung seines Abstands die Geschwindigkeit: . Der Abstand ist also eine Stammfunktion der Geschwindigkeit .
e) Ein Auto fährt mit der Geschwindigkeit von einer Kreuzung weg ( in Sekunden, in Metern pro Sekunde). Bei ist sein Abstand von der Kreuzung 5 m. Wie groß ist der Abstand nach 3 Sekunden?
: , also
und
Ergebnis: Nach 3 Sekunden ist das Auto 14 m von der Kreuzung entfernt.
Hier ist der Abstand beim Start.
Merken: Ein Punkt legt die Integrationskonstante fest: integrieren, Punkt einsetzen, ausrechnen.
Jetzt du: Bestimmt die Stammfunktion von durch .
(Lösung: , : , also und )
Übungen
Bestimmt die Stammfunktion von , deren Graph durch geht.
a) und
b) und
c) und
d) und
e) und
f) Ein Auto fährt mit der Geschwindigkeit von einer Kreuzung weg ( in Sekunden, in Metern pro Sekunde). Bei ist sein Abstand von der Kreuzung 2 m. Wie groß ist der Abstand nach 2 Sekunden?
Lösungen Schritt für Schritt
a)
: , also und
Ergebnis:
b)
: , also und
Ergebnis:
c)
: , also und
Ergebnis:
d)
: , also und
Ergebnis:
e)
: , also und
Ergebnis:
f)
: , also
und
Ergebnis: Nach 2 Sekunden ist das Auto 10 m von der Kreuzung entfernt.
Vom Graphen von f zum Graphen von F
Der Graph von zeigt an jeder Stelle, wie steil der Graph von dort ist.
Zum Beispiel ist eine Stammfunktion von , denn . Im oberen Bild steht der Graph von , im unteren der Graph von :
Von links nach rechts gelesen:
| Graph von | steigt | Hochpunkt | fällt | Wendepunkt | fällt | Tiefpunkt | steigt |
| Graph von | positiv | Nullstelle, plus nach minus | negativ | Tiefpunkt | negativ | Nullstelle, minus nach plus | positiv |
Von 0 bis fällt . Trotzdem steigt auf diesem Stück, denn ist dort positiv.
Bei hat seinen kleinsten Wert . Dort fällt am steilsten, und diese steilste Stelle ist der Wendepunkt .
Beispiele
a) Graph von : fallende Gerade durch und
Nullstelle bei 2, Wechsel von plus nach minus: Hochpunkt von bei .
Links von 2 ist positiv: steigt, obwohl fällt. Rechts von 2 ist negativ: fällt.
hat keinen Hoch- oder Tiefpunkt: hat keinen Wendepunkt.
b) Graph von : nach oben geöffnete Parabel mit den Nullstellen und und dem Tiefpunkt
Nullstelle bei , Wechsel von plus nach minus: Hochpunkt von .
Nullstelle bei , Wechsel von minus nach plus: Tiefpunkt von .
Tiefpunkt von bei 0: Dort fällt am steilsten, also Wendepunkt von .
c) Graph von : nach oben geöffnete Parabel mit dem Scheitel
Nullstelle bei 0 ohne Wechsel: ist links und rechts von 0 positiv. steigt überall und ist bei 0 waagerecht. Das ist ein Sattelpunkt, also ein Wendepunkt mit waagerechter Tangente.
Tiefpunkt von bei 0: Auch das zeigt den Wendepunkt von .
Schema: Graph einer Stammfunktion skizzieren
Das eben Abgelesene, allgemein:
1. Nullstellen von markieren. Wechsel von plus nach minus: Hochpunkt von . Wechsel von minus nach plus: Tiefpunkt von . Kein Wechsel: Sattelpunkt von . 2. positiv: steigt. negativ: fällt. 3. Hoch- und Tiefpunkte von markieren: Dort hat Wendepunkte. 4. Einen Startpunkt wählen und durchzeichnen. Nach oben oder unten verschoben ist genauso richtig.
Prüfungsaufgabe: „Skizzieren Sie den Graphen einer Stammfunktion von .“
Merken: Die Höhe von ist die Steigung von .
Jetzt du: Der Graph von ist eine nach unten geöffnete Parabel mit den Nullstellen 1 und 3. Wo hat einen Hochpunkt, einen Tiefpunkt und einen Wendepunkt?
(Lösung: Tiefpunkt bei , Hochpunkt bei , Wendepunkt bei )
Theorie: Warum aus Hoch- und Tiefpunkten von f Wendepunkte von F werden
. Noch einmal abgeleitet: .
Ein Hoch- oder Tiefpunkt von heißt: mit Vorzeichenwechsel.
Dort ist also mit Vorzeichenwechsel. Das ist ein Wendepunkt von .
Übungen
Skizziert den Graphen einer Stammfunktion . Gebt an, wo steigt und wo fällt. Nennt die Hoch-, Tief-, Sattel- und Wendepunkte von .
a) Graph von : steigende Gerade durch und
b) Graph von : nach unten geöffnete Parabel mit den Nullstellen 0 und 4 und dem Hochpunkt
c) Graph von : der Graph von
d) Graph von : nach unten geöffnete Parabel mit dem Scheitel
Was zeigt die Zahl am Graphen von ?
e)
f)
Lösungen Schritt für Schritt
a) Nullstelle bei , Wechsel von minus nach plus: Tiefpunkt von bei .
: negativ, fällt. : positiv, steigt.
Kein Hoch- oder Tiefpunkt von : kein Wendepunkt von .
b) Nullstelle bei 0, Wechsel von minus nach plus: Tiefpunkt von bei .
Nullstelle bei 4, Wechsel von plus nach minus: Hochpunkt von bei .
: fällt. : steigt. : fällt.
Hochpunkt von bei 2: Wendepunkt von bei .
c) ist überall positiv: steigt überall.
Keine Nullstelle: kein Hoch- und kein Tiefpunkt von .
hat keinen Hoch- oder Tiefpunkt: kein Wendepunkt von .
d) Nullstelle bei 0 ohne Wechsel: ist links und rechts von 0 negativ. fällt überall und ist bei 0 waagerecht: Sattelpunkt.
Hochpunkt von bei 0: Der Sattelpunkt ist ein Wendepunkt.
e) ist die Steigung von bei : Der Graph von steigt dort, 1 nach rechts, 2 nach oben.
f) ist die Höhe von bei : Der Punkt liegt auf dem Graphen von . Über die Steigung dort sagt die Zahl nichts.