Flächen zwischen Kurven
Schnittpunkte bestimmen, obere minus untere Funktion integrieren.
Flächen zwischen Kurven
Wenn zwei Graphen eine Fläche einschließen – wie berechnet man diese?
Schnittpunkte finden
Zuerst die beiden Funktionen gleichsetzen, um die Integrationsgrenzen zu bestimmen.
Obere minus untere
Integriere die Differenz: ∫ [f(x) − g(x)] dx, wobei f die obere Funktion ist.
Intervalle aufteilen
Wenn die Funktionen sich kreuzen, musst du die Fläche in Teilintervalle zerlegen.
Fläche zwischen zwei Kurven
Das Grundprinzip
Wenn zwei Funktionen f(x) und g(x) eine Fläche einschließen, berechnet man diese Fläche durch:
f(x) = obere Funktion (größere y-Werte im Intervall)
g(x) = untere Funktion (kleinere y-Werte im Intervall)
a, b = Schnittpunkte der beiden Funktionen (Integrationsgrenzen)
💡 Warum "obere minus untere"?
Die Fläche zwischen zwei Kurven ist die Differenz der beiden einzelnen Flächen unter den Graphen:
⚠️ Wichtig: Welche Funktion ist oben?
Die Reihenfolge f(x) − g(x) ist entscheidend! Die obere Funktion muss zuerst stehen.
Richtig:
f(x) liegt im Intervall [a, b] oberhalb von g(x)
→ A = ∫ₐᵇ [f(x) − g(x)] dx
Falsch:
Wenn g(x) oberhalb liegt, ergibt sich ein negatives Ergebnis!
Tipp: Skizziere die Funktionen oder setze einen x-Wert aus dem Intervall ein, um zu prüfen, welche Funktion größer ist.
Schnittpunkte bestimmen
Die Integrationsgrenzen sind die x-Koordinaten der Schnittpunkte der beiden Funktionen.
Schnittpunkte berechnen
Gleichsetzen der Funktionen:
Umformen und lösen:
f(x) − g(x) = 0
Löse die Gleichung nach x auf
→ Die Lösungen sind die Integrationsgrenzen a und b
Beispiel: Schnittpunkte finden
Gegeben:
f(x) = x² + 1
g(x) = 2x
Gleichsetzen:
x² + 1 = 2x
x² − 2x + 1 = 0
(x − 1)² = 0
x = 1 (doppelte Nullstelle)
💡 Beachte
In diesem Fall gibt es nur einen Schnittpunkt (Berührpunkt). Für eine eingeschlossene Fläche brauchst du normalerweise zwei Schnittpunkte. Manchmal sind die Grenzen aber auch vorgegeben.
Schritt-für-Schritt: Fläche zwischen Kurven berechnen
Mit diesen 5 Schritten berechnest du die Fläche zwischen zwei Funktionen:
Schnittpunkte berechnen
Setze die beiden Funktionen gleich: f(x) = g(x) und löse nach x auf. Die Lösungen sind die Integrationsgrenzen a und b.
Obere und untere Funktion bestimmen
Prüfe, welche Funktion im Intervall [a, b] oberhalb der anderen liegt. Setze einen x-Wert zwischen a und b ein oder skizziere die Funktionen.
Differenzfunktion bilden
Bilde die Differenz: d(x) = obere Funktion − untere Funktion. Diese Funktion beschreibt den "Höhenunterschied" der Kurven.
Integral aufstellen und berechnen
Integriere die Differenzfunktion von a bis b mit dem Hauptsatz.
A = ∫₋₂² (4 − x²) dx
= [4x − x³/3]₋₂²
Ergebnis berechnen und interpretieren
Setze die Grenzen ein und berechne die Differenz. Das Ergebnis ist die Fläche in Flächeneinheiten (FE).
= (8 − 8/3) − (−8 − (−8/3))
= 16/3 + 16/3 = 32/3 FE
📌 Kurzformel
Wenn du die Grenzen und Funktionen kennst, kannst du direkt rechnen:
Die Betragsstriche sorgen dafür, dass das Ergebnis immer positiv ist (Fläche ist nie negativ!).
Spezialfälle und Intervallaufteilung
✂️ Fall 1: Funktionen kreuzen sich mehrfach
Wenn sich die Funktionen im betrachteten Intervall kreuzen, musst du die Fläche in Teilintervalle aufteilen!
Vorgehen:
- 1.Finde ALLE Schnittpunkte im Intervall
- 2.Teile das Intervall bei jedem Schnittpunkt auf
- 3.Berechne die Fläche für jedes Teilintervall einzeln (beachte, welche Funktion oben liegt!)
- 4.Addiere alle Teilflächen
Agesamt = |A₁| + |A₂| + |A₃| + ...
(Betrag nehmen, da Flächen immer positiv sind!)
📏 Fall 2: Fläche zwischen Funktion und x-Achse
Die x-Achse ist die Funktion g(x) = 0. Das vereinfacht die Rechnung:
Wichtig: Wenn f(x) im Intervall das Vorzeichen wechselt (Nullstellen!), musst du auch hier in Teilintervalle aufteilen!
🔄 Fall 3: Symmetrie nutzen
Bei symmetrischen Funktionen (z.B. achsensymmetrisch zur y-Achse) kannst du Zeit sparen:
Wenn die Fläche symmetrisch zur y-Achse ist (Intervall [−a, a]):
Berechne nur die rechte Hälfte und verdopple das Ergebnis!
Häufige Fehler vermeiden
∫₋₂² [g(x) − f(x)] dx (obwohl f oben liegt)
∫₋₂² [f(x) − g(x)] dx
Die Reihenfolge ist entscheidend! Immer die obere Funktion zuerst. Sonst wird das Ergebnis negativ.
Schnittpunkte vergessen zu berechnen
f(x) = g(x) lösen → Integrationsgrenzen!
Ohne Schnittpunkte weißt du nicht, wo die Fläche beginnt und endet. Die x-Koordinaten der Schnittpunkte sind die Grenzen a und b.
∫₋₁¹ (x³ − x) dx = 0, also keine Fläche?
Bei Vorzeichenwechsel aufteilen: |A₁| + |A₂|
Wenn die Funktion die x-Achse kreuzt, heben sich positive und negative Flächen auf. Du musst die Intervalle trennen und Beträge nehmen!
Nicht prüfen, welche Funktion oben liegt
Testpunkt einsetzen oder Skizze anfertigen
Ohne zu wissen, welche Funktion größer ist, kannst du die Differenz nicht richtig bilden. Immer einen x-Wert aus dem Intervall testen!
∫₋₂² [f(x) − g(x)] dx + C
∫₋₂² [f(x) − g(x)] dx (ohne C!)
Bei bestimmten Integralen gibt es KEIN C! Das Ergebnis ist eine konkrete Zahl (die Fläche).
Nur einen Schnittpunkt nehmen, obwohl es mehrere gibt
ALLE Schnittpunkte im Intervall finden
Wenn sich die Funktionen mehrfach schneiden, musst du jedes Teilintervall separat berechnen. Sonst fehlen Teile der Fläche!
Übungsaufgaben
Aufgabe 1: Grundlegende Berechnung
Berechne die Fläche zwischen den Funktionen:
f(x) = 6 − x
g(x) = x²
Aufgabe 2: Symmetrie nutzen
Berechne die Fläche zwischen f(x) = 9 − x² und der x-Achse im Intervall [−3, 3].
Tipp: Die Fläche ist symmetrisch zur y-Achse!
Aufgabe 3: Mit Intervallaufteilung
Berechne die Fläche, die von f(x) = x² und g(x) = 2x − x² eingeschlossen wird.
Hinweis: Die Funktionen schneiden sich zweimal!
Aufgabe 4: Herausforderung
Berechne die gesamte Fläche zwischen f(x) = sin(x) und der x-Achse im Intervall [0, 2π].
Achtung: sin(x) wechselt bei π das Vorzeichen!
Zusammenfassung
🎯 Das Wichtigste
- •A = ∫ₐᵇ [f(x) − g(x)] dx (f oben!)
- •Schnittpunkte: f(x) = g(x) lösen
- •Bei Vorzeichenwechsel: Intervalle aufteilen!
📋 Vorgehen
- 1.Schnittpunkte berechnen
- 2.Obere/untere Funktion bestimmen
- 3.Differenz bilden
- 4.Integrieren und auswerten
⚠️ Häufige Fehler
- ✗Falsche Reihenfolge (untere − obere)
- ✗Schnittpunkte vergessen
- ✗Nicht aufteilen bei Vorzeichenwechsel
🎓 Tipps fürs Abitur
1. Skizze anfertigen
Eine schnelle Skizze zeigt dir sofort, welche Funktion oben liegt und ob es mehrere Schnittpunkte gibt.
2. Testpunkt einsetzen
Wähle einen x-Wert zwischen den Grenzen und setze ihn in beide Funktionen ein, um zu prüfen, welche größer ist.
3. Beträge bei Teilflächen
Wenn du Intervalle aufteilst, nimm die Beträge der Einzelflächen und addiere sie!
4. Symmetrie erkennen
Bei symmetrischen Flächen kannst du nur die Hälfte berechnen und verdoppeln – spart Zeit!
5. Alle Schnittpunkte finden
Prüfe, ob es im betrachteten Intervall mehrere Schnittpunkte gibt – sonst fehlen Teilflächen!
6. Rechenweg dokumentieren
Zeige alle Schritte: Schnittpunkte, Differenzfunktion, Stammfunktion, Auswertung. Das gibt Teilpunkte!