Fläche zwischen Graphen

Area between graphs

Mathematik Klasse 13 17 Aufgaben
AnalysisIntegrationFläche zwischen Kurven

Zwei Graphen schließen eine Fläche ein: Ihr Inhalt ist das Integral von oberer minus unterer Funktion, die Grenzen sind die Schnittstellen. Ein Testwert entscheidet, welcher Graph oben liegt. Kreuzen sich die Graphen im Intervall, wird an der Schnittstelle zerlegt und werden die Beträge addiert. Der Abschnitt räumt die Fehler aus, unten minus oben zu rechnen, Nullstellen statt Schnittstellen als Grenzen zu nehmen und die Bilanz für den Flächeninhalt zu halten. Er bereitet den zurückgelegten Weg (Zerlegen an Vorzeichenwechseln) und Flächen im Sachkontext vor.

Obere minus untere Funktion

Zwei Graphen schließen eine Fläche ein. Ihr Inhalt ist das Integral der Höhe des Streifens zwischen dem oberen Graphen o und dem unteren u: . Über der x-Achse ist das die Fläche unter dem oberen Graphen minus die Fläche unter dem unteren. Wir nehmen die Parabel und die Gerade .

Die Grenzen sind die Schnittstellen, also die Lösungen von : ergibt und . Welcher Graph oben liegt, zeigt ein Testwert zwischen den Schnittstellen: , die Gerade liegt oben. Wer untere minus obere Funktion rechnet, erhält einen negativen Flächeninhalt, und der kann nicht stimmen. Also

Verschiebe die Gerade mit c. Die Grenzen x₁ und x₂ folgen den Schnittstellen; bei c = 2 stehen die Chips auf −1 und 2 und die Fläche auf 4,5.

Wenn sich die Graphen kreuzen

Die Graphen von und schneiden sich bei , und und schließen deshalb zwei Flächenstücke ein. Rechnet man , kommt 0 heraus: Die Stücke haben entgegengesetzte Vorzeichen, das Integral ist nur die Bilanz. Der Flächeninhalt ist nicht 0, denn zwei Stücke, die sich ausgleichen, sind trotzdem da.

Man zerlegt an der Schnittstelle und nimmt in jedem Teil obere minus untere Funktion: Derselbe Gedanke gilt für die Fläche zwischen einem Graphen und der x-Achse: Dort trennen die Nullstellen.

Blau liegt f über g, orange schraffiert darunter. Die Bilanz gleicht beide Stücke aus, der Flächeninhalt addiert sie.
Leicht
Multiple Choice #1 25s ▶ Testen

Auf [0 ; 2] liegt der Graph von f(x) = x + 1 oberhalb des Graphen von g(x) = ½x. Welches Integral gibt den Inhalt der Fläche zwischen den Graphen an?

  • ● ∫₀² (x + 1 − ½x) dx
  • ○ ∫₀² (½x − (x + 1)) dx
  • ○ ∫₀² (x + 1) dx + ∫₀² ½x dx
Obere minus untere Funktion: ∫₀² (f − g) dx = ∫₀² (½x + 1) dx = 3. Die umgekehrte Reihenfolge ergäbe −3, also einen negativen Flächeninhalt. Addiert man beide Integrale, zählt man die Fläche unter g doppelt statt sie abzuziehen.
Multiple Choice #2 25s ▶ Testen

Zwischen x = −3 und x = 3 liegt der Graph von f(x) = 9 oberhalb der Parabel g(x) = x². Welches Integral gibt den Flächeninhalt zwischen den Graphen an?

  • ● ∫₋₃³ (9 − x²) dx
  • ○ ∫₋₃³ (x² − 9) dx
  • ○ ∫₋₃³ 9 dx + ∫₋₃³ x² dx
Obere minus untere Funktion: 9 − x². Das Integral ∫₋₃³ (9 − x²) dx = 36 ist der Flächeninhalt. Mit x² − 9 wäre das Ergebnis negativ. Die dritte Rechnung addiert die beiden Flächen unter den Graphen (54 + 18 = 72), statt die untere von der oberen abzuziehen.
Multiple Choice #3 25s ▶ Testen

Die Graphen von f(x) = x² und g(x) = 2x + 3 schließen eine Fläche ein. Aus welcher Gleichung bestimmt man die Integrationsgrenzen?

  • ● x² = 2x + 3
  • ○ x² = 0 und 2x + 3 = 0
  • ○ 2x = 2
Die Grenzen sind die Schnittstellen der Graphen: f(x) = g(x), also x² = 2x + 3 mit x = −1 und x = 3. Die Nullstellen von f und g begrenzen Flächen an der x-Achse, nicht zwischen den Graphen. 2x = 2 vergleicht die Ableitungen (gleiche Steigung), nicht die Werte.
Multiple Choice #4 25s ▶ Testen

Zwischen den Graphen von f(x) = x² und g(x) = 2 − x² liegt eine Fläche. Bei welchen x-Werten wird sie seitlich begrenzt?

  • ● x = −1 und x = 1
  • ○ x = −√2 und x = √2
  • ○ x = 0 und x = 2
Schnittstellen: x² = 2 − x² ergibt x² = 1, also x = ±1. Die Werte ±√2 sind die Nullstellen von g, und g(0) = 2 ist ein Funktionswert, keine Stelle.
Multiple Choice #5 25s ▶ Testen

Die Graphen von f(x) = x² und g(x) = 2x schneiden sich bei x = 0 und x = 2. Welcher Graph liegt zwischen 0 und 2 oben?

  • ● g (die Gerade)
  • ○ f (die Parabel)
  • ○ Beide liegen gleich hoch.
Testwert x = 1: f(1) = 1, g(1) = 2. Weil g(1) größer ist, liegt g auf ]0 ; 2[ oben. Zwischen zwei Schnittstellen bleibt die Reihenfolge gleich, ein Testwert genügt.
Wahr / Falsch #6 15s ▶ Testen

Die Graphen von f(x) = x³ und g(x) = 4x schneiden sich bei −2, 0 und 2. Auf ]−2 ; 0[ liegt g oben, weil 4x größer ist als x³.

✓ Falsch
Testwert x = −1: f(−1) = −1, g(−1) = −4. Der größere Wert gehört zu f, also liegt f auf ]−2 ; 0[ oben. Auf ]−2 ; 0[ ist 4x kleiner als x³: Von zwei negativen Zahlen ist die mit dem größeren Betrag kleiner.
Multiple Choice #7 25s ▶ Testen

Die Graphen von f(x) = x³ und g(x) = 4x schneiden sich bei −2, 0 und 2. Es gilt ∫₋₂² (x³ − 4x) dx = 0. Wie groß ist der Inhalt der Fläche, die die Graphen zwischen −2 und 2 einschließen?

  • ● 8 FE
  • ○ 0 FE
  • ○ 4 FE
Das Integral 0 ist nur die Bilanz. An der Schnittstelle 0 zerlegen: ∫₀² (4x − x³) dx = 8 − 4 = 4 FE für das rechte Stück, ebenso 4 FE links. Flächeninhalt 4 + 4 = 8 FE. 4 FE zählt nur ein Stück.
Multiple Choice #8 25s ▶ Testen

Der Graph von f liegt auf [0 ; 1] oberhalb des Graphen von g und auf [1 ; 3] unterhalb; bei x = 1 schneiden sie sich. Welche Rechnung liefert den Flächeninhalt zwischen den Graphen über [0 ; 3]?

  • ● ∫₀¹ (f − g) dx + ∫₁³ (g − f) dx
  • ○ ∫₀³ (f − g) dx
  • ○ |∫₀³ (f − g) dx|
Man zerlegt bei x = 1 und nimmt in jedem Teil obere minus untere Funktion. ∫₀³ (f − g) dx ist nur die Bilanz; auch der Betrag |∫₀³ (f − g) dx| ist die Differenz der Stücke, nicht ihre Summe.
Mittel
Zahleneingabe #1 45s ▶ Testen

Berechne den Inhalt der Fläche zwischen f(x) = 4 (oben) und g(x) = x² (unten) über [−2 ; 2] (auf 2 Dezimalen).

✓ Antwort: 10.67
∫₋₂² (4 − x²) dx = [4x − x³/3] von −2 bis 2 = (8 − 8/3) − (−8 + 8/3) = 32/3 ≈ 10,67.
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Die Graphen von f(x) = x² und g(x) = 3x − 2 schneiden sich bei x = 1 und bei x = c mit c > 1. Bestimme c.

✓ Antwort: 2
x² = 3x − 2 ergibt x² − 3x + 2 = 0, also (x − 1)(x − 2) = 0 mit x = 1 und x = 2.
Zahleneingabe #3 20s ▶ Testen

Es sei f(x) = x² und g(x) = 2x + 3. Wie groß ist f(0) − g(0)? (Das Vorzeichen zeigt, welcher Graph an dieser Stelle oben liegt.)

✓ Antwort: -3
f(0) = 0 und g(0) = 3, also f(0) − g(0) = −3 < 0: g liegt an dieser Stelle oben.
Zahleneingabe #4 25s ▶ Testen

Die Graphen von f und g schneiden sich bei x = c. Die Teilintegrale von f − g haben über [a ; c] den Wert 2,5 und über [c ; b] den Wert −6,5. Wie groß ist der Flächeninhalt zwischen den Graphen über [a ; b]?

✓ Antwort: 9
Der Flächeninhalt addiert die Beträge der Teilintegrale: 2,5 + 6,5 = 9. Die Bilanz wäre 2,5 − 6,5 = −4.
Schwer
Zahleneingabe #1 50s ▶ Testen

Der Graph von f(x) = x² + 1 liegt über dem von g(x) = x. Berechne den Inhalt der Fläche zwischen den Graphen über [0 ; 3].

✓ Antwort: 7.5
f − g = x² − x + 1 (immer positiv). ∫₀³ (x² − x + 1) dx = [x³/3 − x²/2 + x] von 0 bis 3 = 9 − 4,5 + 3 = 7,5.
Zahleneingabe #2 35s ▶ Testen

Es sei f(x) = x² und g(x) = x + 6. Wie groß ist die obere Grenze minus die untere Grenze der Fläche zwischen den Graphen?

✓ Antwort: 5
x² = x + 6 ergibt x² − x − 6 = 0, also x = −2 und x = 3. Obere minus untere Grenze: 3 − (−2) = 5.
Zahleneingabe #3 25s ▶ Testen

Es sei f(x) = x² und g(x) = 6 − x mit den Schnittstellen −3 und 2. Wie groß ist an der Testwertstelle x = 0 der Funktionswert des oberen Graphen?

✓ Antwort: 6
f(0) = 0 und g(0) = 6. Der obere Graph zwischen −3 und 2 ist g; sein Wert bei 0 ist 6.
Zahleneingabe #4 60s ▶ Testen

Berechne den Inhalt der Fläche, die der Graph von f(x) = x² − 4 mit der x-Achse über [0 ; 3] einschließt (auf 2 Dezimalen).

✓ Antwort: 7.67
Nullstelle bei x = 2. F(x) = x³/3 − 4x. Über [0 ; 2]: F(2) − F(0) = −16/3, Stück 16/3. Über [2 ; 3]: F(3) − F(2) = −3 + 16/3 = 7/3. Flächeninhalt 16/3 + 7/3 = 23/3 ≈ 7,67. Ohne Zerlegen käme nur die Bilanz −3 heraus.
KI-bewertete Rechnung #5 240s ▶ Testen

Die Graphen von f(x) = x² − 2x und g(x) = 4 − x² schließen eine Fläche ein. Bestimme die Schnittstellen, entscheide mit einem Testwert, welcher Graph oben liegt, und berechne den Flächeninhalt. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: Schnittstellen: x² − 2x = 4 − x² ergibt 2x² − 2x − 4 = 0, also x² − x − 2 = 0 mit x = −1 und x = 2. Testwert x = 0: f(0) = 0, g(0) = 4, also liegt g oben. A = ∫₋₁² (4 − x² − (x² − 2x)) dx = ∫₋₁² (−2x² + 2x + 4) dx = [−2x³/3 + x² + 4x] von −1 bis 2 = 20/3 − (−7/3) = 9.
Schnittstellen −1 und 2, oben liegt g (Testwert 0: 4 > 0). Die Stammfunktion −2x³/3 + x² + 4x ergibt 20/3 − (−7/3) = 9.