Vom Graphen von f zu F

From the graph of f to F

Mathematik Klasse 12 18 Aufgaben
AnalysisStammfunktionenGraphen

Eine Stammfunktion F von f erfüllt F′ = f: Die Höhe des Graphen von f ist die Steigung von F. Wo f positiv ist, steigt F, wo f negativ ist, fällt F; eine Nullstelle von f mit Vorzeichenwechsel ist eine Extremstelle von F, eine Berührstelle nur eine waagerechte Tangente. Verschiebt man F, bleibt es eine Stammfunktion. Der Abschnitt räumt aus, dass F wie f aussieht oder die Nullstellen von f erbt und dass es nur eine Stammfunktion gäbe (Höhe und Steigung verwechseln: Clement 1989; graphisches Lesen: Asiala u. a. 1997). Er bereitet die Stammfunktionsterme vor.

Höhe wird Steigung

Bisher ging es von f zur Ableitung . Jetzt fragen wir umgekehrt: Zu einer gegebenen Funktion f suchen wir eine Funktion F mit . Sie heißt Stammfunktion. Der Schlüssel: Die Höhe des Graphen von f ist die Steigung von F.

Liegt f über der x-Achse, steigt F; liegt f darunter, fällt F. Beispiel mit : Bei ist , also fällt F dort mit der Steigung −0,75. Die Höhe von F selbst liest du an f nicht ab.

Am Graphen von f liest du F also Stück für Stück ab: Wo f groß und positiv ist, steigt F steil; wo f nahe 0 liegt, verläuft F fast waagerecht.

Fahre mit x₀ über die Achse. Was macht F, wenn P über der x-Achse liegt, und was, wenn P darunter liegt?

Nullstellen von f

Wo f eine Nullstelle hat, ist : F hat eine waagerechte Tangente. Wechselt f dort sein Vorzeichen, hat F einen Extrempunkt: von + nach − einen Hochpunkt, von − nach + einen Tiefpunkt.

Berührt f die x-Achse nur, ohne das Vorzeichen zu wechseln, steigt F auf beiden Seiten weiter: waagerechte Tangente, aber kein Extrempunkt. Bei wechselt f bei 0 von − nach +, F hat dort einen Tiefpunkt T. Bei 2 berührt f nur: F hat in S eine waagerechte Tangente und steigt weiter.

Die Begründung ist immer dieselbe: Sieh auf das Vorzeichen von f links und rechts der Nullstelle. Beim Wechsel von + nach − schlägt das Steigen von F in Fallen um.

Vergleiche f bei 0 und bei 2. Warum ist T ein Tiefpunkt und S keiner?

Viele Stammfunktionen

Verschiebst du F nach oben oder unten, ändern sich die Steigungen nicht. Mit F ist auch eine Stammfunktion von f. Zu f gehört also eine ganze Schar : Die Form liegt fest, die Höhe nicht. Dass F immer mit C geschrieben wird, ist deshalb keine Formalität.

Man erzeugt die Stammfunktionen durch Verschieben, nicht durch Strecken: Zwei Graphen, die sich um einen Faktor unterscheiden, haben verschiedene Steigungen und gehören zu verschiedenen Funktionen f. Bei liegt jeder Punkt von F um 2 höher, doch die Tangente bei x = 0,5 hat weiter die Steigung −0,75.

Ziehe an C. Welche Größe der Tangente bei 0,5 ändert sich, welche nicht?
Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Die Abbildung zeigt den Graphen von f(x) = x² − 1. F ist eine Stammfunktion von f. Was gilt für F bei x = 0?

  • ● F fällt bei x = 0.
  • ○ F hat bei x = 0 den Funktionswert −1.
  • ○ F hat bei x = 0 eine waagerechte Tangente.
F′(0) = f(0) = −1 < 0: F fällt. Der Wert −1 ist die Steigung von F, nicht ihre Höhe, und waagerecht wäre die Tangente nur bei f(0) = 0.
Multiple Choice #2 20s ▶ Testen

Die Abbildung zeigt den Graphen von f mit dem Punkt P(2 | 3). Welche Steigung hat eine Stammfunktion F bei x = 2?

  • ● 3
  • ○ 2
  • ○ −3
F′(2) = f(2) = 3: Die Höhe des Punkts P ist die Steigung von F. Die Zahl 2 ist die Stelle, nicht die Steigung; −3 hätte das falsche Vorzeichen.
Multiple Choice #3 20s ▶ Testen

Die Abbildung zeigt den Graphen von f(x) = 4 − x². Was hat eine Stammfunktion F bei x = 2?

  • ● einen Hochpunkt
  • ○ einen Tiefpunkt
  • ○ eine Nullstelle
f hat bei 2 eine Nullstelle und wechselt von + nach −: F steigt, dann fällt sie, also Hochpunkt. Ein Tiefpunkt bräuchte den Wechsel von − nach +; ob F eine Nullstelle hat, sagt f nicht.
Multiple Choice #4 20s ▶ Testen

Eine Funktion f wechselt bei x = −3 ihr Vorzeichen von − nach +. Was hat eine Stammfunktion F bei x = −3?

  • ● einen Tiefpunkt
  • ○ einen Hochpunkt
  • ○ einen Wendepunkt
Links von −3 ist f < 0, F fällt; rechts ist f > 0, F steigt. Fallen, dann Steigen ist ein Tiefpunkt.
Wahr / Falsch #5 15s ▶ Testen

Hat f bei x = 1 eine Nullstelle mit Vorzeichenwechsel, so hat jede Stammfunktion F von f bei x = 1 ebenfalls eine Nullstelle.

✓ Falsch
Bei x = 1 ist F′ = f = 0: F hat dort einen Extrempunkt. Ob F dort den Wert 0 hat, hängt von der gewählten Stammfunktion ab (F + C).
Multiple Choice #6 20s ▶ Testen

Die Abbildung zeigt den Graphen von f(x) = x². Was hat eine Stammfunktion F bei x = 0?

  • ● eine waagerechte Tangente, aber keinen Extrempunkt
  • ○ einen Tiefpunkt
  • ○ einen Hochpunkt
f(0) = 0, also F′(0) = 0. Weil f links und rechts von 0 positiv ist, steigt F auf beiden Seiten: ein Sattelpunkt, kein Extrempunkt.
Wahr / Falsch #7 15s ▶ Testen

Für f(x) = (x + 1)² gilt f(x) ≥ 0 für alle x. Deshalb hat jede Stammfunktion von f keinen Extrempunkt.

✓ Wahr
f berührt die x-Achse bei −1 ohne Vorzeichenwechsel. F steigt überall, an der Stelle −1 nur mit waagerechter Tangente (Sattelpunkt).
Multiple Choice #8 20s ▶ Testen

F(x) = x³/3 − x ist eine Stammfunktion von f(x) = x² − 1. Welche Funktion ist ebenfalls eine Stammfunktion von f?

  • ● x³/3 − x + 5
  • ○ 5·(x³/3 − x)
  • ○ x³/3 − 5x
Addiert man eine Konstante, bleibt die Ableitung gleich: (x³/3 − x + 5)′ = x² − 1. Mit dem Faktor 5 wird die Ableitung 5x² − 5, mit −5x wird sie x² − 5.
Wahr / Falsch #9 15s ▶ Testen

Die Abbildung zeigt F und G. G entsteht aus F durch Verschieben um 2 nach oben. Ist F eine Stammfunktion von f, dann auch G.

✓ Wahr
Verschieben ändert die Steigung an keiner Stelle: G′ = F′ = f. Beide Graphen sind Stammfunktionen von f.
Mittel
Zahleneingabe #1 25s ▶ Testen

Für f(x) = x² − 1 gilt f(3) = 8. Welche Steigung hat eine Stammfunktion F bei x = 3?

✓ Antwort: 8
F′(3) = f(3) = 8. Die Höhe von f ist die Steigung von F.
Zahleneingabe #2 25s ▶ Testen

Der Graph von f schneidet die x-Achse bei 1, 4 und 6, jedes Mal mit Vorzeichenwechsel. Wie viele Extremstellen hat F?

✓ Antwort: 3
An jeder Nullstelle mit Vorzeichenwechsel hat F einen Extrempunkt: also bei 1, 4 und 6.
Zahleneingabe #3 25s ▶ Testen

f(x) = x²·(x − 3) hat die Nullstellen 0 (Berührung) und 3 (Vorzeichenwechsel). Wie viele Extrempunkte hat F?

✓ Antwort: 1
Nur bei x = 3 wechselt f das Vorzeichen (von − nach +): Tiefpunkt von F. Bei 0 hat F nur eine waagerechte Tangente.
Zahleneingabe #4 25s ▶ Testen

F(x) = x³ − 4x ist eine Stammfunktion von f. G(x) = F(x) + 7. Berechne G′(1).

✓ Antwort: -1
G′ = F′ = f, also G′(1) = 3 · 1² − 4 = −1. Die Konstante 7 fällt beim Ableiten weg.
Schwer
Zahleneingabe #1 25s ▶ Testen

Berechne die Steigung einer Stammfunktion F von f(x) = x² − 1 bei x = −2.

✓ Antwort: 3
F′(−2) = f(−2) = (−2)² − 1 = 3. Die Stammfunktion steigt dort.
Zahleneingabe #2 25s ▶ Testen

Die Abbildung zeigt f(x) = x² − 9. An welcher Stelle hat eine Stammfunktion F einen Tiefpunkt?

✓ Antwort: 3
Bei x = −3 wechselt f von + nach − (Hochpunkt von F), bei x = 3 von − nach + (Tiefpunkt von F).
KI-bewertete Rechnung #3 240s ▶ Testen

Der Graph von f ist eine nach oben geöffnete Parabel mit den Nullstellen −2 und 2 (f(x) = x² − 4). Skizziere den Graphen einer Stammfunktion F von f und begründe den Verlauf: Wo steigt oder fällt F, wo hat F Extrempunkte? Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: F′ = f. Für x < −2 ist f > 0: F steigt. Bei x = −2 wechselt f von + nach −: F hat einen Hochpunkt. Zwischen −2 und 2 ist f < 0: F fällt. Bei x = 2 wechselt f von − nach +: Tiefpunkt. Für x > 2 steigt F wieder. Die Höhe von F ist nicht festgelegt (F + C). Skizze: Kurve dritten Grades mit Hoch- und Tiefpunkt.
Aus dem Vorzeichen von f folgt das Steigen und Fallen von F; die Nullstellen von f mit Vorzeichenwechsel sind die Extremstellen von F.
Zahleneingabe #4 25s ▶ Testen

f(x) = (x − 1)²·(x + 3)·(x − 4) hat die Nullstellen −3, 1 (doppelt) und 4. Wie viele Extrempunkte hat F?

✓ Antwort: 2
Vorzeichenwechsel haben f bei −3 und bei 4; bei 1 berührt f nur die Achse, weil der Faktor (x − 1)² sein Vorzeichen nicht ändert. F hat also zwei Extrempunkte.
Zahleneingabe #5 25s ▶ Testen

F(x) = x³/3 − x hat den Wert F(3) = 6. Eine andere Stammfunktion G von f(x) = x² − 1 hat G(3) = 10. Wie groß ist G(0) − F(0)?

✓ Antwort: 4
Zwei Stammfunktionen unterscheiden sich um eine Konstante: G(x) − F(x) = C. An der Stelle 3 ist C = 10 − 6 = 4, also gilt G(0) − F(0) = 4.