Aufgabe 1 Integrale mit dem Hauptsatz
GrundlagenBerechnen Sie das Integral exakt.
- .
- .
- Lineare Substitution: .
- : .
- : .
- .
Kürzer: ist punktsymmetrisch, sein Integral über ist . Es bleibt .
Sie lernen, bestimmte Integrale mit einer Stammfunktion schnell und exakt zu berechnen: . Damit bestimmen Sie Flächeninhalte und rekonstruieren Bestände aus Änderungsraten.
In Thema 1 war das bestimmte Integral ein Grenzwert von Rechtecksummen – anschaulich, aber mühsam zu berechnen. In Thema 2 haben Sie Stammfunktionen kennengelernt. Der Hauptsatz verbindet beides.
Die Funktion sei auf einem Intervall stetig, sei eine feste Zahl aus . Die Funktion
heißt Integralfunktion von zur unteren Grenze . Die obere Grenze ist variabel. gibt den orientierten Flächeninhalt zwischen dem Graphen von und der -Achse von bis an. Es gilt .
Die Funktion sei auf dem Intervall stetig.
Kurzschreibweise: , gelesen „ von in den Grenzen von bis “.
Der Satz wird hier nicht bewiesen. Er erklärt, warum die Rechtecksummen aus Thema 1 und die Stammfunktionen aus Thema 2 zusammengehören: Integrieren ist die Umkehrung des Ableitens. Die Integrationskonstante spielt keine Rolle, denn
Eine Größe (z. B. eine Wirkstoffmenge oder eine Personenzahl) heißt Bestand. Ihre momentane Änderungsrate ist . Dann ist eine Stammfunktion von , und nach dem Hauptsatz gilt:
Ist , nimmt der Bestand zu; ist , nimmt er ab. Das Integral der Rate allein liefert nur die Änderung, nicht den Bestand selbst.
Das Integral misst den orientierten Flächeninhalt (Thema 1). Für den Flächeninhalt der Fläche zwischen dem Graphen von und der -Achse über gilt:
| Formulierung | Bedeutung |
|---|---|
| „Berechnen Sie das Integral .“ | Stammfunktion bestimmen, berechnen. Das Ergebnis darf negativ sein. |
| „Berechnen Sie den Inhalt der Fläche, die der Graph von mit der -Achse einschließt.“ | Grenzen sind die Nullstellen; Teilintegrale getrennt berechnen und Beträge addieren. |
| „Die Rate, mit der … zunimmt / abnimmt, wird beschrieben durch .“ | ist die Änderungsrate, nicht der Bestand. |
| „Berechnen Sie die Zunahme im Zeitraum von bis .“ | berechnen. |
| „Rekonstruieren Sie den Bestand.“ „Bestimmen Sie die Bestandsfunktion.“ | aufstellen. |
| „Interpretieren Sie das Integral im Sachzusammenhang.“ | In einem Satz mit Einheit sagen, was die Zahl bedeutet, z. B. „Zwischen 12 und 16 Uhr nimmt die Zahl der Personen um 24 ab.“ |
| „langfristig“, „auf lange Sicht“ | Verhalten für untersuchen. |
| Schreibweise | Gelesen / Bedeutung |
|---|---|
| „ von in den Grenzen von bis “ | |
| Erst die Stammfunktion in die eckige Klammer schreiben, dann einsetzen. | |
| Integralfunktion: Die Integrationsvariable heißt , weil schon die obere Grenze ist. | |
| Die Ableitung des Bestands ist die Änderungsrate. |
| Rate | Zeit | Integral der Rate |
|---|---|---|
| h | Wirkstoffmenge in mg | |
| s | Luftvolumen in L | |
| Personen pro Stunde | h | Anzahl Personen |
| h | Temperaturänderung in °C |
Gegeben ist .
1. Allgemeiner Ansatz: Hauptsatz mit einer Stammfunktion .
2. Stammfunktion (Potenzregel, ):
3. Einsetzen:
Das Integral ist : Die Fläche unterhalb und die Fläche oberhalb der -Achse heben sich auf.
1. Nullstellen:
Nullstellen , . Im Intervall liegt nur im Inneren.
2. Teilintegrale mit , , :
3. Beträge addieren:
| Schritt | Ergebnis |
|---|---|
| Stammfunktion | |
| Integral | |
| Nullstellen | , |
| Teilintegrale | , |
| Flächeninhalt |
In der Notaufnahme eines Krankenhauses sind um 8 Uhr () Personen. Von 8 bis 16 Uhr ändert sich die Anzahl der Personen mit der Rate
in Stunden nach 8 Uhr, in Personen pro Stunde.
Allgemein: Änderung . Stammfunktion von : . Einsetzen:
Von 8 bis 10 Uhr nimmt die Zahl der Personen um zu.
Allgemein: . Einsetzen mit :
Der Bestand wächst, solange ist, und fällt, sobald ist. Also liegt das Maximum dort, wo die Rate das Vorzeichen von nach wechselt:
Um 12 Uhr sind die meisten Personen in der Notaufnahme, nämlich .
Interpretation: Zwischen 12 und 16 Uhr nimmt die Zahl der Personen um ab. Um 16 Uhr sind wieder Personen da.
| Teil | Ergebnis |
|---|---|
| a) Änderung 8–10 Uhr | |
| b) Bestandsfunktion | |
| c) Maximum | (12 Uhr), |
| d) Änderung 12–16 Uhr | (Abnahme um 24) |
Die Teilaufgaben werden von a) nach f) schwieriger. Tragen Sie Ihre Ergebnisse ein und klicken Sie auf „Eingaben prüfen“. Grün heißt richtig, Gelb: der Wert stimmt, die Form noch nicht, Rot: noch nicht richtig. Exakte Ergebnisse als Bruch (14/3) oder mit e, ln( ) und pi, z. B. (e^2-1)/2.
Berechnen Sie das Integral exakt.
Berechnen Sie das Integral exakt.
Berechnen Sie das Integral und den Inhalt der Fläche zwischen dem Graphen von und der -Achse über dem angegebenen Intervall. In e) und f) ist gesucht.
Nach der Einnahme einer Tablette gelangt ein Wirkstoff aus dem Magen-Darm-Trakt ins Blut. Die Aufnahmerate wird modelliert durch
( in Stunden nach der Einnahme, in ). Zu Beginn ist kein Wirkstoff im Blut.
Beim ruhigen Atmen wird die Atemstromstärke modelliert durch
( in Sekunden, in ). Für wird eingeatmet, für ausgeatmet. Ein Atemzyklus dauert Sekunden.
Bei einem Patienten mit Fieber ändert sich die Körpertemperatur mit der Rate
für ( in Stunden, in ). Zu Beginn () beträgt die Temperatur °C.
Die Funktion ist stetig. Entscheiden Sie, ob die Aussage wahr oder falsch ist. Begründen Sie Ihre Entscheidung in Ihren Notizen und vergleichen Sie mit der Lösung.
Nehmen Sie Stellung zu den Rechnungen und Aussagen. Wählen Sie die zutreffende Beurteilung und formulieren Sie Ihre Stellungnahme in vollständigen Sätzen in Ihren Notizen.
| Gesucht | Ansatz |
|---|---|
| bestimmtes Integral | |
| Flächeninhalt zwischen Graph und -Achse | an den Nullstellen zerlegen: |
| Änderung eines Bestands | |
| Bestandsfunktion | |
| Integralfunktion | mit , |
Hauptsatz · Integralfunktion · Stammfunktion · obere / untere Grenze · Teilintegral · Flächeninhalt · orientierter Flächeninhalt · Änderungsrate · Bestand · Anfangsbestand · Bestandsfunktion · Zunahme / Abnahme
Ausblick: Mit dem Hauptsatz berechnen Sie im nächsten Thema auch Flächen, die von zwei Graphen begrenzt werden.