Stammfunktionen ganzrationaler Funktionen

Antiderivatives of polynomial functions

Mathematik Klasse 12 18 Aufgaben
AnalysisStammfunktionenAnalysis

Die Potenzregel läuft rückwärts: Zu f(x) = xⁿ gehört F(x) = xⁿ⁺¹/(n + 1), man erhöht den Exponenten um 1 und teilt durch den neuen Exponenten. Ein Faktor bleibt stehen, eine Summe wird Glied für Glied aufgeleitet, aus der Konstante c wird c·x. Die Probe F′ = f prüft jedes Ergebnis. Der Abschnitt räumt die typischen Fehler beim Aufleiten aus: durch den alten Exponenten teilen, gar nicht teilen, stattdessen ableiten, die Konstante als Konstante stehen lassen (Orton 1983). Er bereitet die Festlegung von C vor.

Die Potenzregel rückwärts

Beim Ableiten wird aus der Term . Aufleiten kehrt beide Schritte um: Der Exponent wird um 1 erhöht, und dann wird durch den neuen Exponenten geteilt:

Aus wird , denn . Geteilt wird durch 3, nicht durch die alte Hochzahl 2. Auch gehört dazu: .

Zum Prüfen bedienst du den Regler: Bei jedem n ist die Steigung von F an einer Stelle genau der Wert von f dort. Der Nenner sorgt dafür, dass beim Ableiten der Faktor wieder verschwindet.

Wähle n und x₀. Welcher Wert von f gehört zur Steigung von F an derselben Stelle?

Faktor, Summe und Probe

Ein Faktor bleibt stehen, eine Summe wird Glied für Glied aufgeleitet. Für ergibt sich , und , denn die Konstante ist . Also

Die Probe ist das Ableiten von F: . Stimmt das, ist F eine Stammfunktion; jeder Fehler beim Teilen fällt sofort auf.

Die Probe entlarvt auch den Fehler „die Konstante bleibt Konstante“: Bei wäre ohne das +5, also nicht f.

Aufleiten Term für Term f(x) F(x) ← ableiten · aufleiten → 4x³ x⁴ x³ → x⁴, geteilt durch 4 −6x −3x² x¹ → x², geteilt durch 2 5 5x x⁰ → x¹, geteilt durch 1
Jeder Summand für sich: Exponent um 1 erhöhen, durch den neuen Exponenten teilen, der Faktor bleibt.
Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Welche Funktion ist eine Stammfunktion von f(x) = x³?

  • ● F(x) = x⁴/4
  • ○ F(x) = x⁴/3
  • ○ F(x) = 3x²
Der Exponent wird um 1 erhöht (x⁴) und durch den neuen Exponenten 4 geteilt. Teilt man durch die alte 3, stimmt (x⁴/3)′ = 4x³/3 nicht; 3x² ist die Ableitung von x³, keine Stammfunktion.
Multiple Choice #2 20s ▶ Testen

Welche Funktion ist eine Stammfunktion von f(x) = x?

  • ● F(x) = x²/2
  • ○ F(x) = x²
  • ○ F(x) = 1
x = x¹: Der Exponent wird 2, geteilt wird durch 2. Ohne Teilen gilt (x²)′ = 2x, und F(x) = 1 ist die Ableitung von x.
Multiple Choice #3 20s ▶ Testen

Die Abbildung zeigt f(x) = x² und die Kurven A und B. Welche Kurve ist eine Stammfunktion von f?

  • ● A(x) = x³/3
  • ○ B(x) = x³
  • ○ keine von beiden
A′(x) = (x³/3)′ = x² = f(x). Bei B(x) = x³ ist B′(x) = 3x², das ist dreimal so groß wie f: Man hat nicht durch den neuen Exponenten geteilt.
Wahr / Falsch #4 15s ▶ Testen

Die Abbildung zeigt F(x) = x³/3, die Tangente an F bei x = 2 und f(x) = x² mit dem Punkt (2 | 4). Die Steigung der Tangente ist 4.

✓ Wahr
F′(2) = f(2) = 4: Die Höhe von f bei x = 2 ist die Steigung von F, die Tangente steigt um 4 je Einheit. Das passt zu F(x) = x³/3 als Stammfunktion von x².
Wahr / Falsch #5 15s ▶ Testen

Eine Stammfunktion von f(x) = x⁵ ist F(x) = x⁶/5.

✓ Falsch
Geteilt wird durch den neuen Exponenten 6: F(x) = x⁶/6. Probe: (x⁶/5)′ = 6x⁵/5, nicht x⁵.
Multiple Choice #6 20s ▶ Testen

Welche Funktion ist eine Stammfunktion von f(x) = 4x³?

  • ● F(x) = x⁴
  • ○ F(x) = 4x⁴
  • ○ F(x) = x⁴/4
Der Faktor 4 bleibt, und es wird durch 4 geteilt: 4 · x⁴/4 = x⁴. Ohne Teilen ergibt sich 4x⁴ (Ableitung 16x³); wer den Faktor weglässt, erhält x⁴/4 (Ableitung x³).
Multiple Choice #7 20s ▶ Testen

Welche Funktion ist eine Stammfunktion von f(x) = 3x² − 4x + 5?

  • ● F(x) = x³ − 2x² + 5x
  • ○ F(x) = x³ − 2x² + 5
  • ○ F(x) = x³ − 4x² + 5x
Gliedweise: 3x² → x³, −4x → −2x², 5 → 5x. Bleibt die Konstante 5 stehen, fehlt das x; ohne Teilen durch 2 entsteht −4x².
Wahr / Falsch #8 15s ▶ Testen

Zur Konstanten f(x) = 7 gehört die Stammfunktion F(x) = 7x.

✓ Wahr
Die Konstante 7 ist 7·x⁰. Der Exponent wird 1, geteilt wird durch 1: F(x) = 7x. Probe: (7x)′ = 7.
Multiple Choice #9 20s ▶ Testen

Wie zeigt man, dass F(x) = x³ − 2x² eine Stammfunktion von f(x) = 3x² − 4x ist?

  • ● (x³ − 2x²)′ = 3x² − 4x
  • ○ (3x² − 4x)′ = x³ − 2x²
  • ○ x³ − 2x² ist 0 für x = 0
Man leitet F ab und erhält f. Leitet man f ab, erhält man 6x − 4, nicht F; der Wert F(0) = 0 sagt über F′ nichts.
Multiple Choice #10 20s ▶ Testen

Welche Funktion ist eine Stammfunktion von f(x) = 2x + 3?

  • ● F(x) = x² + 3x
  • ○ F(x) = x² + 3
  • ○ F(x) = x²/2 + 3x
Probe: (x² + 3x)′ = 2x + 3. Bei x² + 3 ist die Ableitung nur 2x; bei x²/2 + 3x wurde 2x fälschlich durch 2 geteilt, die Ableitung ist x + 3.
Multiple Choice #11 20s ▶ Testen

Die Abbildung zeigt f(x) = 2x, den Graphen von G(x) = x² und die Tangente an G bei x = 1. Mit welchem Wert stimmt die Steigung der Tangente überein?

  • ● f(1) = 2
  • ○ G(1) = 1
  • ○ f(2) = 4
Die Tangente an G bei x = 1 hat die Steigung G′(1) = 2 = f(1). Der Wert G(1) = 1 ist die Höhe von Q, nicht die Steigung. G′ = f gilt an jeder Stelle: G(x) = x² ist eine Stammfunktion von 2x.
Mittel
Lückentext #1 20s ▶ Testen

Eine Stammfunktion von f(x) = x⁴ ist F(x) = x⁵/___.

✓ Antwort: 5
Der neue Exponent ist 5, also wird durch 5 geteilt: (x⁵/5)′ = x⁴.
Lückentext #2 20s ▶ Testen

Eine Stammfunktion von f(x) = 6x² ist F(x) = ___x³.

✓ Antwort: 2
Der Faktor 6 bleibt, geteilt wird durch 3: 6 · x³/3 = 2x³. Probe: (2x³)′ = 6x².
Zahleneingabe #3 25s ▶ Testen

Für f(x) = 3x² + 2 gibt eine Schülerin F(x) = x³ + 2 an. Berechne F′(1).

✓ Antwort: 3
F′(x) = 3x², also F′(1) = 3. Aber f(1) = 3 + 2 = 5: F ist keine Stammfunktion. Richtig wäre F(x) = x³ + 2x.
Schwer
Zahleneingabe #1 25s ▶ Testen

Eine Stammfunktion von f(x) = x³ ist F(x) = x⁴/4. Berechne F(2).

✓ Antwort: 4
F(2) = 2⁴/4 = 16/4 = 4.
Zahleneingabe #2 25s ▶ Testen

Von f(x) = 6x + 9x² ist F(x) = ax² + bx³ eine Stammfunktion. Berechne a + b.

✓ Antwort: 6
6x → 3x², also a = 3; 9x² → 3x³, also b = 3. Damit a + b = 6.
Zahleneingabe #3 25s ▶ Testen

Für welchen Wert von k ist F(x) = x³ + k·x² + 2x eine Stammfunktion von f(x) = 3x² + 8x + 2?

✓ Antwort: 4
F′(x) = 3x² + 2k·x + 2. Der Vergleich mit f gibt 2k = 8, also k = 4.
KI-bewertete Rechnung #4 240s ▶ Testen

Bestimme eine Stammfunktion F von f(x) = 4x³ − 6x² + 2x − 5 und mache die Probe durch Ableiten. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: Gliedweise aufleiten: 4x³ → x⁴, −6x² → −2x³, 2x → x², −5 → −5x. F(x) = x⁴ − 2x³ + x² − 5x. Probe: F′(x) = 4x³ − 6x² + 2x − 5 = f(x).
Jedes Glied wird einzeln aufgeleitet: Exponent um 1 erhöhen, durch den neuen Exponenten teilen. Die Probe F′ = f bestätigt das Ergebnis.