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Arbeitsblatt: Integralrechnung (Klasse 12)

10 Aufgaben zu Stammfunktionen, bestimmtes Integral, Flächenberechnung, mit Musterlösungen zu jeder Aufgabe. Kostenlos zum Ausdrucken, ohne Anmeldung.

MathematikKlasse 12Gymnasium (Oberstufe)mit Lösungen
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Name: ______________________Datum: ____________Mathematik · Klasse 12

Integralrechnung: Stammfunktion und bestimmtes Integral

Gymnasium NRW, Jahrgangsstufe 12 | 90 Minuten

Bearbeite die folgenden Aufgaben zur Integralrechnung. Du darfst für Aufgaben 1–3 ohne Hilfsmittel arbeiten. Zeige deine Rechenschritte deutlich. Bei Aufgabe 4 und 5 kannst du ein Computeralgebrasystem nutzen, um deine Ergebnisse zu kontrollieren.

1

Bestimme die Stammfunktion F(x) der folgenden Funktionen. Schreibe deine Antwort in der Form F(x) = ... + C.

a) f(x) = 3x² + 2x − 5

b) g(x) = 4e^x

c) h(x) = 1/x (für x > 0)

2

Bestimme die Stammfunktion F(x) der folgenden Funktionen:

a) f(x) = x⁴ − 3x² + 2

b) g(x) = sin(x) − cos(x)

3

Berechne das bestimmte Integral. Schreibe den Rechenweg auf: Stammfunktion finden → Grenzen einsetzen → Differenz bilden.

∫₁³ (2x + 1) dx

4

Berechne die folgenden bestimmten Integrale. Nutze den Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung.

a) ∫₀² x² dx =
b) ∫₁⁴ (3x² − 2x) dx =
c) ∫₀^(π/2) sin(x) dx =
d) ∫₂⁵ (x³ − 4x) dx =
5

Gegeben ist die Funktion f(x) = x² − 4 im Intervall [−2, 2].

a) Bestimme die Nullstellen von f(x) im Intervall [−2, 2].

b) Berechne das bestimmte Integral ∫₋₂² (x² − 4) dx. Was bedeutet das Ergebnis geometrisch?

c) Berechne den Flächeninhalt zwischen dem Graphen und der x-Achse. Hinweis: Nutze Beträge für Flächen unterhalb der x-Achse.

6

Gegeben sind folgende Integralwerte:
∫₀¹ f(x) dx = 5
∫₁³ f(x) dx = 8
∫₀³ g(x) dx = 6

Berechne unter Verwendung der Intervalladditivität und Linearität von Integralen:

a) ∫₀³ f(x) dx

b) ∫₀³ (2f(x) − g(x)) dx

7

Ein Wassertank wird mit einer Zuflussrate von r(t) = 5t Litern pro Minute gefüllt, wobei t die Zeit in Minuten ist.

a) Bestimme die Stammfunktion R(t) der Zuflussrate.

b) Berechne die Gesamtmenge Wasser, die in den ersten 4 Minuten in den Tank fließt.

c) Interpretiere das Ergebnis im Kontext der Aufgabe.

8

Ein Auto fährt mit der Geschwindigkeit v(t) = 20 + 2t m/s, wobei t die Zeit in Sekunden ist.

a) Welche Strecke legt das Auto in den ersten 10 Sekunden zurück?

b) Erkläre, wie der Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung hier angewendet wird.

⭐ ⭐ Bonus für Schnelle

9

⭐ Bonus-Aufgabe 1 (Transfer): Gegeben ist die Funktion f(x) = e^x − 2x.

a) Bestimme die Stammfunktion F(x).

b) Berechne ∫₀² (e^x − 2x) dx.

c) Für welche Werte von a ist ∫₀ᵃ (e^x − 2x) dx = 0? (Hinweis: Du kannst ein Computeralgebrasystem nutzen.)

10

⭐ Bonus-Aufgabe 2 (Knobeln): Ein Behälter wird mit Wasser gefüllt. Die Zuflussrate beträgt r(t) = 10 − t Liter pro Minute für 0 ≤ t ≤ 10. Nach t = 10 Minuten stoppt der Zufluss.

a) Berechne die Gesamtmenge Wasser, die in den Behälter fließt.

b) Zu welchem Zeitpunkt t ist die Zuflussrate am größten? Erkläre dein Ergebnis.

c) Wann wäre der Behälter leer, wenn ab t = 10 Minuten Wasser mit einer konstanten Rate von 0,5 Liter pro Minute abfließt? (Hinweis: Berechne zunächst die Wassermenge nach 10 Minuten.)

Lösungen
  1. Aufgabe 1: a) F(x) = x³ + x² − 5x + C
    Begründung: Wende die Potenzregel ∫x^n dx = x^(n+1)/(n+1) + C an.
    ∫3x² dx = 3 · x³/3 = x³
    ∫2x dx = 2 · x²/2 = x²
    ∫(−5) dx = −5x
    Zusammengefasst: F(x) = x³ + x² − 5x + C

    b) G(x) = 4e^x + C
    Begründung: Die Stammfunktion von e^x ist e^x selbst.
    ∫4e^x dx = 4 · e^x = 4e^x + C

    c) H(x) = ln|x| + C (oder ln(x) + C für x > 0)
    Begründung: Die natürliche Logarithmusfunktion ist die Stammfunktion von 1/x.
    ∫(1/x) dx = ln|x| + C
  2. Aufgabe 2: a) F(x) = x⁵/5 − x³ + 2x + C
    Begründung: Wende die Potenzregel auf jeden Term an.
    ∫x⁴ dx = x⁵/5
    ∫(−3x²) dx = −3 · x³/3 = −x³
    ∫2 dx = 2x
    Zusammengefasst: F(x) = x⁵/5 − x³ + 2x + C

    b) G(x) = −cos(x) − sin(x) + C
    Begründung: Stammfunktion von sin(x) ist −cos(x), Stammfunktion von cos(x) ist sin(x).
    ∫sin(x) dx = −cos(x)
    ∫(−cos(x)) dx = −sin(x)
    Zusammengefasst: G(x) = −cos(x) − sin(x) + C
  3. Aufgabe 3: Schritt 1: Stammfunktion finden
    F(x) = x² + x (ohne +C bei bestimmtem Integral)

    Schritt 2: Hauptsatz anwenden
    ∫₁³ (2x + 1) dx = [x² + x]₁³ = F(3) − F(1)

    Schritt 3: Grenzen einsetzen
    F(3) = 3² + 3 = 9 + 3 = 12
    F(1) = 1² + 1 = 1 + 1 = 2

    Schritt 4: Differenz bilden
    ∫₁³ (2x + 1) dx = 12 − 2 = 10
  4. Aufgabe 4: a) 8/3, b) 48, c) 1, d) 441/4 = 110,25
  5. Aufgabe 5: a) Nullstellen: x² − 4 = 0 → (x − 2)(x + 2) = 0 → x = −2 oder x = 2
    Die Nullstellen liegen an den Grenzen des Intervalls.

    b) Stammfunktion: F(x) = x³/3 − 4x + C
    ∫₋₂² (x² − 4) dx = [x³/3 − 4x]₋₂²
    = (2³/3 − 4·2) − ((−2)³/3 − 4·(−2))
    = (8/3 − 8) − (−8/3 + 8)
    = (8/3 − 24/3) − (−8/3 + 24/3)
    = (−16/3) − (16/3)
    = −32/3 ≈ −10,67

    Geometrische Bedeutung: Das Integral ist negativ, weil die Funktion im gesamten Intervall unterhalb der x-Achse liegt (zwischen x = −2 und x = 2 ist f(x) ≤ 0). Das negative Vorzeichen zeigt die orientierte Fläche an.

    c) Flächeninhalt: Da die gesamte Fläche unterhalb der x-Achse liegt, ist der Flächeninhalt der Betrag des Integrals:
    A = |∫₋₂² (x² − 4) dx| = |−32/3| = 32/3 ≈ 10,67 Flächeneinheiten
  6. Aufgabe 6: a) Intervalladditivität: ∫₀³ f(x) dx = ∫₀¹ f(x) dx + ∫₁³ f(x) dx
    ∫₀³ f(x) dx = 5 + 8 = 13

    b) Linearität: ∫₀³ (2f(x) − g(x)) dx = 2∫₀³ f(x) dx − ∫₀³ g(x) dx
    = 2 · 13 − 6
    = 26 − 6
    = 20
  7. Aufgabe 7: a) Stammfunktion der Zuflussrate:
    R(t) = ∫5t dt = 5 · t²/2 = 2,5t² + C
    (Die Integrationskonstante C entfällt, da wir die Menge ab t = 0 berechnen.)

    b) Gesamtmenge Wasser in den ersten 4 Minuten:
    V = ∫₀⁴ 5t dt = [2,5t²]₀⁴
    = 2,5 · 4² − 2,5 · 0²
    = 2,5 · 16 − 0
    = 40 Liter

    c) Interpretation: In den ersten 4 Minuten fließen insgesamt 40 Liter Wasser in den Tank. Die Zuflussrate nimmt linear mit der Zeit zu (r(t) = 5t), daher fließt am Anfang weniger Wasser pro Minute, am Ende mehr. Das bestimmte Integral summiert alle diese Raten über die Zeit auf und ergibt die Gesamtmenge.
  8. Aufgabe 8: a) Die Strecke ist das Integral der Geschwindigkeit:
    s = ∫₀¹⁰ (20 + 2t) dt

    Stammfunktion: F(t) = 20t + t² + C

    s = [20t + t²]₀¹⁰
    = (20 · 10 + 10²) − (20 · 0 + 0²)
    = (200 + 100) − 0
    = 300 Meter

    Das Auto legt in den ersten 10 Sekunden 300 Meter zurück.

    b) Anwendung des Hauptsatzes:
    Der Hauptsatz verbindet Ableitung und Integration: Wenn s(t) die Strecke ist, dann ist v(t) = s'(t) die Geschwindigkeit (Ableitung). Umgekehrt ist die Strecke das Integral der Geschwindigkeit: s = ∫v(t) dt. Der Hauptsatz besagt, dass ∫ₐᵇ v(t) dt = s(b) − s(a), also die Differenz der Strecke am Anfang und Ende des Zeitintervalls. Dies ermöglicht es uns, aus der bekannten Geschwindigkeitsfunktion die zurückgelegte Strecke zu berechnen.
  9. Aufgabe 9: a) Stammfunktion:
    F(x) = e^x − x² + C
    Begründung: ∫e^x dx = e^x und ∫(−2x) dx = −x²

    b) Bestimmtes Integral:
    ∫₀² (e^x − 2x) dx = [e^x − x²]₀²
    = (e² − 2²) − (e⁰ − 0²)
    = (e² − 4) − 1
    = e² − 5
    ≈ 7,389 − 5 = 2,389

    c) Gesucht: a, sodass ∫₀ᵃ (e^x − 2x) dx = 0
    [e^x − x²]₀ᵃ = 0
    (e^a − a²) − (1 − 0) = 0
    e^a − a² − 1 = 0
    e^a = a² + 1

    Für k(a) = e^a − a² − 1 gilt k(0) = 0 und k'(a) = e^a − 2a > 0 für alle a (der Integrand e^x − 2x ist überall positiv).
    k ist also streng monoton steigend und hat nur die Nullstelle a = 0. Für a > 0 ist das Integral immer positiv.
  10. Aufgabe 10: a) Gesamtmenge Wasser in 10 Minuten:
    V = ∫₀¹⁰ (10 − t) dt
    = [10t − t²/2]₀¹⁰
    = (10 · 10 − 10²/2) − 0
    = (100 − 50)
    = 50 Liter

    b) Die Zuflussrate r(t) = 10 − t ist eine lineare Funktion mit negativer Steigung.
    Sie ist am größten bei t = 0: r(0) = 10 Liter/Minute
    Sie nimmt kontinuierlich ab und erreicht r(10) = 0 Liter/Minute.
    Erklärung: Die Zuflussrate ist eine fallende Funktion, daher ist sie am Anfang (t = 0) maximal.

    c) Nach 10 Minuten sind 50 Liter im Behälter.
    Abflussrate: 0,5 Liter/Minute
    Zeit bis Behälter leer: t = 50 / 0,5 = 100 Minuten
    Der Behälter ist 100 Minuten nach Beginn des Abflusses leer, also insgesamt 110 Minuten nach Beginn des Zuflusses.
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