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Q2 Leistungskurs · Mathematik (Leistungskurs)
Ergänzungen Q2: Funktionsscharen, Integralrechnung und Wachstum · Integralrechnung

ln als Stammfunktion und Hauptsatz

Ein Regenrückhaltebecken in Essen wird so befüllt, dass die Zuflussrate zur Zeit $t$ (in Minuten) $f(t) = \frac{1}{t}$ m³/min beträgt. Wie viel Wasser fließt zwischen $t = 1$ und $t = \mathrm{e}$ zu? Bisher kennen Sie für $\frac{1}{x}$ keine Stammfunktion: Die Potenzregel $\int x^n\,dx = \frac{x^{n+1}}{n+1}$ versagt für $n = -1$, weil durch $0$ geteilt würde. Am Ende dieser Seite beantworten Sie die Frage. Außerdem klären Sie, warum Integrieren und Ableiten Umkehrungen voneinander sind.

ln x als Stammfunktion von 1/x

Sie wissen: $(\ln x)' = \frac{1}{x}$ für $x > 0$. Das folgt aus $\mathrm{e}^{\ln x} = x$ und der Kettenregel: Ableiten beider Seiten ergibt $\mathrm{e}^{\ln x} \cdot (\ln x)' = 1$, also $x \cdot (\ln x)' = 1$.

Man liest diese Aussage rückwärts und erhält die fehlende Stammfunktion.

Der Faktor vor $\frac{1}{x}$ bleibt beim Integrieren erhalten: $\int \frac{k}{x}\,dx = k \cdot \ln x + C$.

Graph von f(x) = 1/x; die Fläche unter dem Graphen zwischen x = 1 und x = e hat den Inhalt 1. 1 e A = 1 f(x) = 1/x
Üben★☆☆Nicht begonnen
Berechnen Sie $\int_1^{e} \frac{1}{x}\,dx$.

Berechnen Sie $\int_1^{e} \frac{1}{x}\,dx$.

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Üben★☆☆Nicht begonnen
Berechnen Sie $\int_2^{6} \frac{3}{x}\,dx$ und geben Sie das Ergebnis als Logarithmus an.

Berechnen Sie $\int_2^{6} \frac{3}{x}\,dx$ und geben Sie das Ergebnis als Logarithmus an.

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Üben★★☆Nicht begonnen
Berechnen Sie $\int_1^{e^2} \frac{1}{x}\,dx$ und $\int_{1/e}^{1} \frac{1}{x}\,dx$ und erläutern Sie den Zusammenhang mit der Eigenschaft $\ln(1/a) = -\ln a$.

Berechnen Sie $\int_1^{e^2} \frac{1}{x}\,dx$ und $\int_{1/e}^{1} \frac{1}{x}\,dx$ und erläutern Sie den Zusammenhang mit der Eigenschaft $\ln(1/a) = -\ln a$.

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Stammfunktionen bestimmen und Flächen berechnen

Die Summenregel gilt wie gewohnt: Man integriert jeden Summanden einzeln. Bei einer Stammfunktion mit Bedingung $F(x_0) = y_0$ legt man zuerst die allgemeine Stammfunktion fest und bestimmt dann die Konstante $C$.

Üben★★☆Nicht begonnen
Gegeben ist $f(x) = \frac{2}{x} + x$ für $x > 0$. a) Bestimmen Sie die Stammfunktion $F$ mit $F(1) = 3$. b) Berechnen Sie die Fläche zwischen dem Graphen von $f$ und der…

Gegeben ist $f(x) = \frac{2}{x} + x$ für $x > 0$.

  1. a) Bestimmen Sie die Stammfunktion $F$ mit $F(1) = 3$.
  2. b) Berechnen Sie die Fläche zwischen dem Graphen von $f$ und der $x$-Achse über $[1;4]$.
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Integralfunktion und Hauptsatz

Bisher haben Sie bestimmte Integrale mit Stammfunktionen berechnet. Warum das funktioniert, zeigt der Hauptsatz. Er beginnt mit einer Funktion, deren obere Grenze variabel ist.

Beispiel: Für $f(t) = 2t + 1$ ist $F(x) = \int_0^x (2t+1)\,dt = \left[t^2 + t\right]_0^x = x^2 + x$. Die Ableitung ist $F'(x) = 2x + 1 = f(x)$. Das ist kein Zufall.

Graph einer Funktion f; die Fläche von a bis x ist F(x), der schmale Streifen der Breite h von x bis x+h ist ungefähr f(x) mal h. a x x+h F(x) Streifen ≈ f(x) · h f

Der Differenzenquotient von $F$ ist

$$\frac{F(x+h) - F(x)}{h} = \frac{1}{h}\int_x^{x+h} f(t)\,dt.$$

Der Streifen hat die Breite $h$ und ungefähr die Höhe $f(x)$, wenn $h$ klein ist und $f$ stetig. Sein Flächeninhalt ist also $\approx f(x)\cdot h$, und der Quotient liegt nahe bei $f(x)$. Für $h \to 0$ wird daraus genau $f(x)$.

Begründung des 2. Teils. $F$ und $G$ sind Stammfunktionen von $f$, unterscheiden sich also nur um eine Konstante: $G(x) = F(x) + C$. Damit ist $G(b) - G(a) = F(b) - F(a) = F(b) - 0 = \int_a^b f(t)\,dt$.

Obere Grenze als Funktion von x

Steht als obere Grenze ein Term $u(x)$, ist $H(x) = \int_a^{u(x)} f(t)\,dt = F(u(x))$ eine Verkettung. Mit der Kettenregel folgt

$$H'(x) = f(u(x))\cdot u'(x).$$
Üben★☆☆Nicht begonnen
Gegeben ist $F(x) = \int_0^{x} (2t+1)\,dt$. Bestimmen Sie $F(x)$ und $F'(x)$.

Gegeben ist $F(x) = \int_0^{x} (2t+1)\,dt$. Bestimmen Sie $F(x)$ und $F'(x)$.

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Üben★★☆Nicht begonnen
Gegeben ist $F(x) = \int_1^{x} \frac{1}{t}\,dt$ für $x > 0$. a) Begründen Sie mit dem Hauptsatz, dass $F'(x) = \frac{1}{x}$ gilt. b) Bestimmen Sie $F(1)$ und das…

Gegeben ist $F(x) = \int_1^{x} \frac{1}{t}\,dt$ für $x > 0$.

  1. a) Begründen Sie mit dem Hauptsatz, dass $F'(x) = \frac{1}{x}$ gilt.
  2. b) Bestimmen Sie $F(1)$ und das Monotonieverhalten von $F$.
  3. c) Bestimmen Sie die Gleichung der Tangente an $F$ an der Stelle $x = 2$.
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Üben★★★Nicht begonnen
Gegeben ist $f$ stetig auf $[a;b]$ und $F(x) = \int_a^{x} f(t)\,dt$. a) Erläutern Sie anschaulich mit dem Differenzenquotienten $\frac{F(x+h)-F(x)}{h}$, warum…

Gegeben ist $f$ stetig auf $[a;b]$ und $F(x) = \int_a^{x} f(t)\,dt$.

  1. a) Erläutern Sie anschaulich mit dem Differenzenquotienten $\frac{F(x+h)-F(x)}{h}$, warum $F'(x) = f(x)$ gilt.
  2. b) Folgern Sie, dass für jede Stammfunktion $G$ von $f$ gilt: $\int_a^b f(x)\,dx = G(b) - G(a)$.
  3. c) Zeigen Sie, dass $\frac{d}{dx}\int_0^{x^2} e^{-t^2}\,dt = 2x\,e^{-x^4}$ gilt.
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Kettenregel rückwärts: Integrale mit ln

Integrale wie $\int \frac{\ln x}{x}\,dx$ oder $\int \ln x\,dx$ lösen Sie mit zwei Ideen.

Substitution (Kettenregel rückwärts)

Erkennen Sie im Integranden eine Funktion $g(x)$ und ihre Ableitung $g'(x)$ als Faktor, ersetzen Sie $u = g(x)$ und $du = g'(x)\,dx$. Dann ist $\int h(g(x))\cdot g'(x)\,dx = \int h(u)\,du$. Bei bestimmten Integralen wechseln auch die Grenzen oder man substituiert zurück.

Eine Stammfunktion von ln x

Aus der Produktregel lässt sich eine Stammfunktion von $\ln x$ finden. Probieren Sie $F(x) = x\ln x - x$:

$$F'(x) = 1\cdot\ln x + x\cdot\frac1x - 1 = \ln x + 1 - 1 = \ln x.$$

Daraus folgt $\int_1^{\mathrm{e}} \ln x\,dx = [x\ln x - x]_1^{\mathrm{e}} = (\mathrm{e} - \mathrm{e}) - (0 - 1) = 1$. Die Fläche zwischen dem Graphen von $\ln$ und der $x$-Achse über $[1;\mathrm{e}]$ hat also den Inhalt $1$. Das ist dieselbe Zahl wie bei $\frac{1}{x}$ über demselben Intervall.

Üben★★★Nicht begonnen
Gegeben ist $f(x) = \frac{\ln x}{x}$ für $x > 0$. a) Bestimmen Sie durch Substitution eine Stammfunktion von $f$. b) Berechnen Sie den Flächeninhalt zwischen dem Graphen…

Gegeben ist $f(x) = \frac{\ln x}{x}$ für $x > 0$.

  1. a) Bestimmen Sie durch Substitution eine Stammfunktion von $f$.
  2. b) Berechnen Sie den Flächeninhalt zwischen dem Graphen und der $x$-Achse über $[1;e^2]$.
  3. c) Untersuchen Sie, ob $\int_1^{\infty} f(x)\,dx$ existiert.
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Üben★★★Nicht begonnen
Gegeben ist $f(x) = \ln x$. a) Zeigen Sie durch Ableiten, dass $F(x) = x\ln x - x$ eine Stammfunktion von $f$ ist. b) Berechnen Sie $\int_1^{e} \ln x\,dx$ und deuten Sie…

Gegeben ist $f(x) = \ln x$.

  1. a) Zeigen Sie durch Ableiten, dass $F(x) = x\ln x - x$ eine Stammfunktion von $f$ ist.
  2. b) Berechnen Sie $\int_1^{e} \ln x\,dx$ und deuten Sie das Ergebnis geometrisch.
  3. c) Die Fläche zwischen dem Graphen von $f$, der $x$-Achse und der Geraden $x = e$ rotiert um die $y$-Achse. Bestimmen Sie das Volumen mithilfe der Umkehrfunktion $x = e^{y}$.
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Auf einen Blick

Zurück zum Anfang: Das Becken erhält zwischen $t = 1$ und $t = \mathrm{e}$ genau $\ln\mathrm{e} - \ln 1 = 1$ m³ Wasser.

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