Aufgabenbeispiele von am Schaubild mit Stammfkt.
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Hoch- und Tiefpunkte in f (mit F)
Beispiel:
Da Extrempunkte immer eine waagrechte Tangente haben, gilt die notwendige Bedingung f '= 0, wir suchen also die Nullstellen der Ableitungsfunktion f '.
Um beurteilen zu können, ob es sich um einen Hochpunkt des Graphen von f, um eine Tiefpunkt oder keines von beidem (Sattelpunkt) handelt, kann man jeweils den Vorzeichenwechsel (VZW) der Funktion f ' anschauen (hinreichende Bedingung).
Wir untersuchen also alle Nullstellen der abgebildeten Ableitungsfunktion f '.
Da der Graph von f ' bei x = -3 die x-Achse berührt und f ' somit keinen VZW aufweist, kann der Graph der Originalfunktion f bei x = -3 auch keinen Extrempunkt haben (Er hat dort einen Sattelpunkt).
Wir erkennen bei x = 2 einen VZW in der Funktion f ' von + nach -. Also muss der Graph der Originalfunktion f bei x = 2 einen Hochpunkt haben.
Wir erkennen bei x = 3 einen VZW in der Funktion f ' von - nach +. Also muss der Graph der Originalfunktion f bei x = 3 einen Tiefpunkt haben.
Wendepunkte in f (mit F)
Beispiel:
Gezeichnet ist der Graph von f. Bestimme alle Wendestellen von F (F ist eine Stammfunktion der Funktion f) im abgebildeten Bereich.
(die gesuchten x-Werte sind alle ganzzahlig)
Da Wendestellen immer Extremstellen der Ableitung sind, müssen wir in der Abbildung nur nach den Extremstellen von f suchen.
Diese erkennen wir leicht bei x = 1 und x = 3.
Monotonie (mit F)
Beispiel:
Gezeichnet ist der Graph von f ''. Bestimme möglichst große Intervalle, auf denen f ' monoton steigend, bzw. monoton fallend ist .
Nach dem Monotoniesatz genügt es die Intervalle zu finden, in denen die Ableitungsfunktion von f ', also die 2. Ableitungsfunktion f '', positiv bzw. negativ ist.
Wir erkennen: Im Intervall [-6;-3] gilt: f ''(x) ≤ 0, also ist f ' monoton fallend.
Wir erkennen: Im Intervall [-3;1] gilt: f ''(x) ≥ 0, also ist f ' monoton steigend.
Wir erkennen: Im Intervall [1;4] gilt: f ''(x) ≤ 0, also ist f ' monoton fallend.
Wir erkennen: Im Intervall [4;6] gilt: f ''(x) ≥ 0, also ist f ' monoton steigend.
Punkt mit paralleler Tangente (mit F)
Beispiel:
Bestimme eine Stelle x, an der die Tangente an den Graph von f parallel zur Geraden g: y= verläuft.
Die Steigung der Tangente an den Graph von f, kurz die Tangentensteigung von f, ist f ', die Ableitung von f.
Da die Gerade g die Steigung -3 hat, muss die parallele Tangente auch die Steigung m = -3 haben. Es muss also f '(x) = -3 gelten.
Am Schaubild kann man f '(2) = -3 und f '(0) = -3 ablesen.
Die gesuchten Stellen sind also x1 = 2 und x2 = 0.
Summe f(x) und f'(x) (mit F)
Beispiel:
Bestimme f(1) + f '(1).
Wir können der Zeichnung rechts mit Hilfe der Tangente eingezeichneten Tangente f '(1) = entnehmen.
Außerdem können wir natürlich f(1) = 1 am Schaubild ablesen:
Also gilt: f(1) + f '(1) =
1 +
Verkettung von f und f' (mit F)
Beispiel:
Bestimme F(f(-1)).
Wir können der Zeichnung rechts mit Hilfe der eingezeichneten Tangente f(-1) = entnehmen, weil ja f die Ableitungsfunktion von F ist und somit die Tangentensteigung von F angibt.
Wir suchen also F(f(-1)) = F().
F() können wir aber auch wieder einfach am Schaubild ablesen
(an der y-Koordinate des roten Punkts):
F(f(-1)) = F() = .
Integral von f' ablesen
Beispiel:
Bestimme .
(Das Ergebnis ist ganzzahlig)
Nach dem Hauptsatz der Integralrechnung gilt:
= F(b)- F(a)
Wir können im Schaubild F(-1) = 0 und F(0) = -3 ablesen.
Also gilt
= F(0)- F(-1) =
-3 -
Differenz Funktionswerte
Beispiel:
Bestimme F(2) - F(0).
Nach dem Hauptsatz der Integralrechnung gilt:
= F(b)- F(a)
Wir können also F(2)- F(0) durch den Wert des Integrals aus dem Schaubild ablesen. Es entspricht dem orientierten Flächeninhalt der Fläche, die der Graph von f mit der x-Achse im Intervall [0;2] einschließt.
Dazu zerlegen wir die Fläche in eine Rechtecks- und eine Dreiecksfläche:
I1 =
I2 = ⋅
Wir erhalten also I=I1+I2 = -3 als orientierten Flächeninhalt.
Somit gilt: F(2)-F(0) = -3
Größenvergleich in f (mit F)
Beispiel:
Nach dem Hauptsatz der Integralrechnung gilt:
= F(b)- F(a)
Oder anders ausgedrückt F(b) ist gerade um den Wert des Integrals größer als F(a).
Wir erkennen, dass zwischen x = -3.1 und x = -0.75 die Werte von f alle positiv sind, die Stammfunktion F ist hier also monton steigend. Also muss F(-0.75) > F(-3.1) sein.
Zwischen x=-0.75 und x=0.9 sind die Werte von f dagegen alle negativ, die Stammfunktion F muss hier also monton fallend sein. Folglich ist F(0.9) < F(-0.75).
Damit ist jetzt bereits klar, dass der Wert in der Mitte F(-0.75) der größte der drei Werte ist.
Um nun noch herauszufinden. ob F(-3.1)>F(0.9) oder F(0.9)>F(-3.1) gilt, schauen wir uns jeweils die Flächen unter der Kurve an, deren Inhalt sich ja mit dem entsprechenden Integral berechnen lässt.
Hierbei erkennt man klar:
>
Das bedeutet, dass der Zuwachs im linken Interval zwischen -3.1 und -0.75 größer ist als die Abnahme im rechten Interval zwischen -0.75 und 0.9.
Also muss F(-3.1) kleiner als F(0.9) sein. Insgesamt gilt:
F(-3.1) < F(0.9) < F(-0.75)
Punkt mit paralleler Tangente (mit F)
Beispiel:
Bestimme eine Stelle x, an der die Tangente an den Graph von F (F ist eine Stammfunktion der Funktion f) parallel zur Geraden g: y= verläuft.
Die Steigung der Tangente an den Graph von F, kurz die Tangentensteigung von F, ist f, die Ableitung von F.
Da die Gerade g die Steigung -2 hat, muss die parallele Tangente auch die Steigung m = -2 haben. Es muss also f(x) = -2 gelten.
Am Schaubild kann man f(1) = -2 ablesen.
Die gesuchte Stelle ist also x = 1.
Nullstellenanzahl bei Integralfunktion
Beispiel:
Gezeichnet ist der Graph einer Funktion f.
Bestimme die Anzahl der Nullstellen der Integralfunktion J-2 = im abgebildeten Bereich -6 ≤ x ≤ 6 .
- Eine Nullstelle hat natürlich jede Integralfunktion, nämlich die untere Intergralgrenze, da ja = 0 für alle c gilt. Somit ist x = -2 eine Nullstelle von J-2.
- Eine weitere Nullstelle können wir ca. bei x = 0.4 erkennen, weil man am Graph beim Integral zwei gleichgroße Flächen je über und unter der x-Achse erkennen kann, so dass sich dabei die negative und positive Teilfläche gegenseitig aufheben. Somit gilt =0 und J-2(0.4) = 0, J-2 hat also bei x = 0.4 eine Nullstelle.
- Eine weitere Nullstelle können wir ca. bei x = 2.8 erkennen, weil man am Graph beim Integral zwei gleichgroße Flächen je über und unter der x-Achse erkennen kann, so dass sich dabei die negative und positive Teilfläche gegenseitig aufheben. Somit gilt =0 und J-2(2.8) = = + = 0 + 0 = 0, J-2 hat also bei x = 2.8 eine Nullstelle.
- Eine weitere Nullstelle können wir ca. bei x = 5.2 erkennen, weil man am Graph beim Integral zwei gleichgroße Flächen je über und unter der x-Achse erkennen kann, so dass sich dabei die negative und positive Teilfläche gegenseitig aufheben. Somit gilt =0 und J-2(5.2) = = + = 0 + 0 = 0, J-2 hat also bei x = 5.2 eine Nullstelle.
- Eine weitere Nullstelle können wir ca. bei x=-4.4 erkennen, weil man am Graph beim Integral zwei gleichgroße Flächen je über und unter der x-Achse erkennen kann, so dass sich dabei die negative und positive Teilfläche gegenseitig aufheben. Somit gilt = 0 und J-2(-4.4) = = - = 0, J-2 hat also bei x = -4.4 eine Nullstelle.
An den Rändern kann man erkennen, dass es keine weiteren Teilflächen gibt, die sich aufheben könnten.
Somit hat die Integralfunktion J-2(x) = im abgebildeten Bereich 5 Nullstellen.
Wert einer Stammfunktion bestimmen
Beispiel:
Gezeichnet ist der Graph einer Funktion f.
F ist eine Stammfunktion der Funktion f mit F(-2) = 8,2.
Entscheide dich für einen Wert von F(1).
Den Zuwachs von F(-2) zu F(1), also F(1) - F(-2) = kann man als orientierten Flächeninhalt zwischen dem Graph von f und der x-Achse ablesen.
Dabei heben sich negative und positive Teilflächen gegenseitig auf.
Anhand der Kästchen kann man diesen Flächeninhalt grob abschätzen:
≈
-8.2
Wegen
= F(1) - F(-2) ≈
-8.2 gilt dann
F(1) =
+ F(-2) ≈ -8.2
+