Die Konstante C festlegen

Fixing the constant C

Mathematik Klasse 12 18 Aufgaben
AnalysisStammfunktionenAnalysis

Zwei Stammfunktionen derselben Funktion unterscheiden sich nur um eine Konstante: F(x) = x³ − 3x + C. Ein Punkt (x₀ | y₀) legt C fest, indem man ihn in F einsetzt (nicht in f): F(2) = 3 gibt C = 1. Kennt man eine Änderungsrate und den Anfangsbestand, rekonstruiert man den Bestand: v(t) = 3t² + 2 mit s(0) = 4 gibt s(t) = t³ + 2t + 4 (Grundvorstellung Rekonstruktion, Greefrath u. a. 2016). Der Abschnitt räumt aus, den Punkt in f einzusetzen und den Anfangswert zu übersehen. Er bereitet das bestimmte Integral vor.

Ein Punkt legt C fest

Alle Stammfunktionen von haben die Form

Zwei von ihnen unterscheiden sich nur um eine Konstante. Verlangt man zusätzlich, dass der Graph durch P(2 | 3) geht, bleibt genau eine ßbrig. Man setzt P in F ein: , also .

In f darfst du P nicht einsetzen: ist eine Steigung, keine HĂśhe. Probe: .

Anschaulich sind alle Stammfunktionen dieselbe Kurve auf verschiedenen HĂśhen. Ein einziger Punkt reicht, um die HĂśhe festzulegen; ohne Punkt bleibt C offen.

Stelle C so ein, dass der Graph von F durch P geht. Was liest du am Chip F_C(2) ab?

Vom Tempo zur Strecke

Kennt man nur eine Änderungsrate, rekonstruiert man den Bestand. Ein Wagen fährt mit (Meter pro Sekunde). Eine Stammfunktion ist ; C ist der Anfangsbestand. Liegt der Wagen bei schon bei 4 m, gilt , also

Die Geschwindigkeit allein bestimmt die Strecke nicht; erst der Anfangswert legt C fest.

Das ist die Grundidee der Rekonstruktion: Aus Änderungen lässt sich der Bestand nur gewinnen, wenn man weiß, wo man angefangen hat. Beim Wasserbecken ist es der Füllstand zu Beginn, beim Auto der Kilometerstand.

Verschiebe t₀. Welcher Chip stimmt mit der Steigung von s überein?
Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Die Abbildung zeigt die Graphen zweier Stammfunktionen F₁ und F₂ derselben Funktion. Wie groß ist F₁(2) − F₂(2)?

  • ● 5
  • ○ 0
  • ○ −5
F₁ liegt an jeder Stelle um 5 über F₂ (Scheitel 1 und −4). Die Ableitungen stimmen überein, die Differenz ist konstant: bei x = 2 ebenso 5 wie bei x = 0. Null wäre der Abstand bei gleicher Höhe, −5 ergibt sich, wenn F₂ − F₁ statt F₁ − F₂ gerechnet wird.
Multiple Choice #2 20s ▶ Testen

Welche der Funktionen ist eine Stammfunktion von f(x) = 2x?

  • ● F(x) = x² + 3
  • ○ F(x) = x² + 3x
  • ○ F(x) = 2x² + 3
Bei x² + 3 ist die Ableitung 2x, die Konstante 3 spielt keine Rolle. x² + 3x hat die Ableitung 2x + 3, 2x² + 3 die Ableitung 4x.
Wahr / Falsch #3 15s ▶ Testen

Die Funktionen x³ + 1 und x³ + x sind beide Stammfunktionen von f(x) = 3x².

✓ Falsch
(x³ + 1)′ = 3x², aber (x³ + x)′ = 3x² + 1. Nur ein Summand ohne x ist eine Konstante, die sich beim Ableiten nicht bemerkbar macht.
Multiple Choice #4 20s ▶ Testen

Die Abbildung zeigt drei Graphen von F(x) = x³ − 3x + C und den Punkt P(2 | 3). Welche Gleichung bestimmt das C, für das F durch P geht?

  • ● 2Âł − 3¡2 + C = 3
  • ○ 3¡2² − 3 + C = 3
  • ○ 2Âł − 3¡2 + C = 2
P wird in F eingesetzt: x = 2 gehört in den Term von F, der y-Wert 3 steht rechts. In f = 3x² − 3 einzusetzen ist falsch, und die 2 auf der rechten Seite wäre die x-Koordinate.
Multiple Choice #5 20s ▶ Testen

Der Graph von F(x) = x² + C geht durch den Punkt P(1 | 4). Welchen Wert hat C?

  • ● C = 3
  • ○ C = 4
  • ○ C = 5
F(1) = 1 + C = 4 gibt C = 3. C = 4 ist die y-Koordinate von P, C = 5 entsteht bei 1 + 4.
Wahr / Falsch #6 15s ▶ Testen

FĂźr F(x) = 2x + C mit F(1) = 5 gilt C = 3.

✓ Wahr
F(1) = 2 + C = 5, also C = 3.
Wahr / Falsch #7 15s ▶ Testen

Fßr F(x) = x² + C mit F(3) = 10 gilt C = 19.

✓ Falsch
F(3) = 9 + C = 10 gibt C = 1. Der Wert 19 entsteht, wenn 9 addiert statt subtrahiert wird.
Multiple Choice #8 20s ▶ Testen

Ein Fahrrad fährt mit der Geschwindigkeit v(t) = 2t (m/s). Bei t = 0 hat es schon 10 m zurßckgelegt. Welche Funktion gibt die Strecke s(t)?

  • ● s(t) = t² + 10
  • ○ s(t) = t²
  • ○ s(t) = 2t + 10
Stammfunktion von 2t ist t² + C, und s(0) = 10 gibt C = 10. Ohne die 10 wird der Anfangswert ignoriert; 2t + 10 setzt die Geschwindigkeit als Strecke an.
Multiple Choice #9 20s ▶ Testen

Ein Becken enthält 50 Liter. Der Zufluss beträgt r(t) = 4t Liter pro Minute. Welcher Term gibt die Wassermenge V(t)?

  • ● V(t) = 2t² + 50
  • ○ V(t) = 4t² + 50
  • ○ V(t) = 4t + 50
Eine Stammfunktion von 4t ist 2t², dazu kommt der Anfangswert 50. Ohne Teilen durch 2 entsteht 4t², und 4t + 50 ist keine Stammfunktion, sondern r(t) + 50.
Multiple Choice #10 20s ▶ Testen

Die Abbildung zeigt drei Strecken-Zeit-Graphen mit derselben Geschwindigkeit v(t) = 2t. Welcher gehĂśrt zu s(0) = 10 m?

  • ● C
  • ○ A
  • ○ B
Bei t = 0 ist s(0) = C = 10 ablesbar: Der Graph C beginnt bei 10. Alle drei Graphen haben dieselbe Form, weil sie dieselbe Geschwindigkeit haben; sie unterscheiden sich nur im Anfangswert.
Wahr / Falsch #11 15s ▶ Testen

Aus v(t) = 3t² und dem Anfangswert s(0) = 5 lässt sich die Strecke s(t) eindeutig bestimmen.

✓ Wahr
Stammfunktionen von 3t² sind t³ + C. Der Anfangswert s(0) = 5 legt C = 5 fest, also s(t) = t³ + 5. Ohne Anfangswert bliebe C offen.
Mittel
Zahleneingabe #1 25s ▶ Testen

F(x) = x⁴ + 2 und G(x) = x⁴ − 7 sind Stammfunktionen derselben Funktion. Berechne F(3) − G(3).

✓ Antwort: 9
F(x) − G(x) = 2 − (−7) = 9 an jeder Stelle, also auch bei x = 3. Rechnen kann man auch: F(3) = 83, G(3) = 74.
Zahleneingabe #2 25s ▶ Testen

F(x) = 2x + C und F(3) = 10. Berechne C.

✓ Antwort: 4
F(3) = 6 + C = 10, also C = 4.
Zahleneingabe #3 25s ▶ Testen

Fßr v(t) = 3t² ist s(t) = t³ + C. Bei s(0) = 5 ist C = ?

✓ Antwort: 5
s(0) = 0 + C = 5, also C = 5.
Schwer
Zahleneingabe #1 25s ▶ Testen

F₁(x) = x³ − 2x + 4 ist eine Stammfunktion von f. Für eine andere Stammfunktion F₂ von f gilt F₂(1) = 9. Berechne F₂(0).

✓ Antwort: 10
F₁(1) = 1 − 2 + 4 = 3, also F₂(1) − F₁(1) = 6. Die Differenz ist überall 6: F₂(0) = F₁(0) + 6 = 4 + 6 = 10.
Zahleneingabe #2 25s ▶ Testen

F ist die Stammfunktion von f(x) = 4x³ − 2x mit F(1) = 6. Berechne F(2).

✓ Antwort: 18
F(x) = x⁴ − x² + C. F(1) = 1 − 1 + C = 6, also C = 6. F(2) = 16 − 4 + 6 = 18.
Zahleneingabe #3 25s ▶ Testen

Ein Wagen fährt mit v(t) = 6t + 1 (m/s) und ist bei t = 0 schon 3 m gefahren. Wie viele Meter hat er bei t = 2 s zurßckgelegt?

✓ Antwort: 17
s(t) = 3t² + t + C mit s(0) = 3, also C = 3. s(2) = 12 + 2 + 3 = 17 m.
KI-bewertete Rechnung #4 240s ▶ Testen

Eine Pflanze wächst mit der Rate h′(t) = 6t² + 2 cm pro Woche (t in Wochen). Zu Beginn (t = 0) ist sie 12 cm hoch. Bestimme die Höhenfunktion h(t) und berechne die Höhe nach 3 Wochen. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: Stammfunktion: h(t) = 2t³ + 2t + C. Anfangswert h(0) = C = 12, also h(t) = 2t³ + 2t + 12. Nach 3 Wochen: h(3) = 54 + 6 + 12 = 72 cm.
Die Wachstumsrate ist die Ableitung der HĂśhe. Man leitet gliedweise auf und legt C mit dem Anfangswert h(0) = 12 fest.