Zuordnung von Funktionsgraphen und Flächenberechnung

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3.6 Gegeben sind die Schaubilder einer Funktion $g$, ihrer Ableitungsfunktion $g'$ und einer Stammfunktion $G$ von $g$.

Ordnen Sie die Funktionen $g$, $g'$ und $G$ den Schaubildern zu und begründen Sie Ihre Entscheidung.

Bestimmen Sie mit Hilfe Ihrer Zuordnung den Inhalt der Fläche, die das Schaubild $C$ auf dem Intervall $[-2; 2]$ mit der Geraden $y = 1$ einschließt. (6 Punkte)

Diese Aufgabe enthält visuelle Inhalte: Drei Koordinatensysteme (A, B, C) mit Funktionsgraphen. Graph A zeigt eine fallende Funktion mit lokalen Extrema. Graph B zeigt eine periodische Schwingung mit Amplituden zwischen -3 und +3. Graph C zeigt ebenfalls eine periodische Schwingung, jedoch mit geringerer Amplitude (zwischen ca. -2.5 und +1) und einer Verschiebung auf der y-Achse. Alle Graphen sind auf einem Gitter mit markierten x- und y-Achsen (Werte von -3 bis 3) dargestellt.

Animierte Videolösung

Die erste Hälfte ist kostenlos, die komplette Lösung gibt es in der App.

Schriftliche Lösung Schritt für Schritt

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Schritt 1

In dieser Aufgabe sollen wir drei Graphen A, B und C einer Funktion g, ihrer Ableitung g Strich und ihrer Stammfunktion Groß G zuordnen und anschließend eine Fläche berechnen.

Zuordnung von $g$, $g'$ und $G$

2
Schritt 2

Schauen wir uns zuerst Graph A an. Wir sehen, dass A an den Stellen, an denen B Nullstellen mit Vorzeichenwechsel hat, Extrempunkte besitzt.


Analyse der Zusammenhänge

- Extremstellen von $f$ sind Nullstellen von $f'$.

3
Schritt 3

Betrachten wir Graph B. Er hat bei x gleich null eine Nullstelle mit Vorzeichenwechsel von Minus nach Plus. Genau dort hat Graph A einen Tiefpunkt. Das deutet darauf hin, dass B die Ableitung von A ist.

$$B(0)=0 \text{ und VZW } \implies A \text{ hat Extrempunkt bei } x=0$$
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Schritt 4

Nun schauen wir uns B und C an. B hat Extremwerte, wo C Nullstellen hat. Zum Beispiel hat B bei x gleich eins einen Hochpunkt, und C hat dort eine Nullstelle. Also ist C die Ableitung von B.

$$C(1)=0 \implies B \text{ hat Hochpunkt bei } x=1$$
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Schritt 5

Daraus ergibt sich die logische Kette: A ist die Stammfunktion Groß G, B ist die Funktion g, und C ist die Ableitungsfunktion g Strich.

6
Schritt 6

Im zweiten Teil sollen wir den Flächeninhalt berechnen, den das Schaubild C auf dem Intervall von minus zwei bis zwei mit der Geraden y gleich eins einschließt.

Flächenberechnung

Gesucht ist die Fläche zwischen $C$ (also $g'$) und $y=1$ auf $[-2; 2]$.

7
Schritt 7

Der Flächeninhalt berechnet sich über das Integral des Betrags der Differenz der beiden Funktionen.

$$A = \int_{-2}^{2} |g'(x) - 1| dx$$
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Schritt 8

Wenn wir uns Graph C ansehen, liegt die Kurve im Intervall von minus zwei bis zwei immer unterhalb der Geraden y gleich eins. Daher rechnen wir eins minus g Strich.

Der Rest der Lösung ist auf Solvi

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