Aufgabe 1 Grundintegrale und Potenzregel
GrundlagenBestimmen Sie eine Stammfunktion von (für ).
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- Potenzregel mit : .
- Summen- und Faktorregel: .
- , : .
- , : .
- : Faktorregel und Grundintegral . Für : .
- , : .
Sie lernen, zu einer Funktion eine Funktion mit zu finden – mit Grundintegralen und Rechenregeln. Das ist die Umkehrung des Ableitens und die Grundlage für das Berechnen von Integralen.
Beim Ableiten ist gegeben und gesucht. Jetzt geht es um die umgekehrte Frage: Die Ableitung ist gegeben – welche Funktion hat diese Ableitung?
Die Funktion sei auf einem Intervall definiert. Eine differenzierbare Funktion heißt Stammfunktion von auf , wenn für alle gilt:
Beispiel: ist eine Stammfunktion von , denn . Auch und sind Stammfunktionen von , denn eine Konstante fällt beim Ableiten weg.
Ist eine Stammfunktion von auf dem Intervall , dann sind genau die Funktionen
Stammfunktionen von auf . Die Zahl heißt Integrationskonstante. Zwei Stammfunktionen derselben Funktion unterscheiden sich also nur um eine Konstante.
Die Gesamtheit aller Stammfunktionen von heißt unbestimmtes Integral von . Man schreibt
Wie beim bestimmten Integral heißt der Integrand und die Integrationsvariable. Das unbestimmte Integral hat keine Grenzen; sein Ergebnis ist eine Funktion (mit ), keine Zahl.
Jede Ableitungsregel liefert, rückwärts gelesen, ein Grundintegral:
| Funktion | Stammfunktion |
|---|---|
| (Konstante) | |
| () | |
| () | |
Die Potenzregel gilt auch für negative und gebrochene Exponenten, z. B. für und (dann für ). Nur für gilt sie nicht – dort hilft der Logarithmus.
und seien Funktionen mit den Stammfunktionen und , sei eine Zahl.
Begründung der linearen Substitution mit der Kettenregel: Die innere Funktion hat die Ableitung . Also gilt
Beim Ableiten entsteht der Faktor (innere Ableitung). Beim Integrieren gleicht man ihn durch den Faktor aus. Beispiele:
| Formulierung | Bedeutung |
|---|---|
| „Bestimmen Sie eine Stammfunktion von .“ | Eine Funktion mit angeben; darf man frei wählen, meist . |
| „Bestimmen Sie alle Stammfunktionen von .“ „Bestimmen Sie das unbestimmte Integral.“ | Ergebnis mit Integrationskonstante: . |
| „Bestimmen Sie die Stammfunktion von , deren Graph durch den Punkt verläuft.“ | Erst bestimmen, dann aus der Bedingung berechnen. |
| „Zeigen Sie, dass eine Stammfunktion von ist.“ | ableiten und zeigen, dass gilt. |
| „Zu Beginn beträgt der Bestand …“ / „zum Zeitpunkt …“ | Das ist eine Anfangsbedingung: Sie legt die Konstante fest. |
| „Die Änderungsrate des Bestands ist .“ | Der Bestand ist eine Stammfunktion der Rate: . |
| Schreibweise | Gelesen / Bedeutung |
|---|---|
| „Integral über von d gleich von plus “ | |
| „ Strich von gleich von “: ist eine Stammfunktion von . | |
| dasselbe wie ; im Eingabefeld: x^(-1/2) | |
| „Logarithmus naturalis von Betrag “; für einfach , im Eingabefeld ln(x) | |
| „aufleiten“ | umgangssprachlich für „eine Stammfunktion bilden“ – in Klausuren besser „integrieren“ |
1. Allgemeiner Ansatz: Summen- und Faktorregel, für jeden Summanden die Potenzregel .
2. Umformen: Bruch und Wurzel als Potenzen schreiben:
3. Einsetzen: Exponenten , und :
4. Probe:
1. Allgemeiner Ansatz: lineare Substitution mit den Grundintegralen und .
2. Innere Funktionen: mit und mit .
3. Einsetzen:
4. Probe (Kettenregel):
1. Allgemeiner Ansatz: Alle Stammfunktionen bestimmen, dann aus der Bedingung berechnen.
2. Alle Stammfunktionen:
3. Bedingung einsetzen:
Die gesuchte Stammfunktion ist .
| Teil | Ergebnis |
|---|---|
| a) | |
| b) | |
| c) |
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.
Bestimmen Sie eine Stammfunktion von (für ).
Bestimmen Sie das unbestimmte Integral (für ). Formen Sie den Integranden, wenn nötig, zuerst um.
Bestimmen Sie mit der Regel eine Stammfunktion (für ).
Bestimmen Sie die Stammfunktion von , die die Bedingung erfüllt. Geben Sie vollständig an (mit dem passenden Wert für ).
Auf einem Nährboden wächst eine Bakterienkolonie. Ihre Fläche in nimmt mit der Änderungsrate
zu ( in Stunden, in ). Zu Beginn () ist die Kolonie groß.
Nach einer Operation wird die Fläche einer Wunde beobachtet ( in Tagen, in ). Die Fläche ändert sich mit der Rate
Zu Beginn () ist die Wunde groß.
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.
| Regel | Formel |
|---|---|
| Stammfunktion | ; alle Stammfunktionen: |
| Potenzregel () | |
| Grundintegrale | , , |
| Faktor- und Summenregel | |
| lineare Substitution |
Stammfunktion · Integrationskonstante · unbestimmtes Integral · Integrand · Integrationsvariable · Grundintegral · Potenzregel · Faktorregel · Summenregel · lineare Substitution · Anfangsbedingung · Probe
Ausblick: Im nächsten Thema verbindet der Hauptsatz das unbestimmte mit dem bestimmten Integral: Mit einer Stammfunktion berechnen Sie Flächen und Bestände ohne Rechtecksummen.