MathematikKlasse 11–13

Integral als Flächenbilanz (Rechtecksummen)

Fülle die Fläche unter einem Graphen mit Rechtecken. Je mehr Rechtecke, desto genauer wird der Wert des Integrals.

Simulation wird geladen …

Worum geht es?

Die Fläche zwischen einem Graphen und der x-Achse lässt sich mit Rechtecken annähern. Man teilt das Intervall [a;b][a; b] in nn gleich breite Streifen der Breite Δx=b−an\Delta x = \frac{b - a}{n}.

  • Untersumme UnU_n: Jedes Rechteck ist so hoch wie der kleinste Funktionswert im Streifen.
  • Obersumme OnO_n: Jedes Rechteck ist so hoch wie der größte Funktionswert im Streifen.

Dann liegt das Integral immer dazwischen: Un≤∫abf(x) dx≤OnU_n \leq \int_a^b f(x)\,\mathrm{d}x \leq O_n (für f≥0f \geq 0 ist das die Fläche). Mit wachsendem nn rücken beide Summen zusammen; ihr gemeinsamer Grenzwert ist das Integral:

∫abf(x) dx=lim⁡n→∞Un=lim⁡n→∞On\int_a^b f(x)\,\mathrm{d}x = \lim_{n \to \infty} U_n = \lim_{n \to \infty} O_n

Flächenbilanz: Flächen unterhalb der x-Achse zählen negativ. Das Integral von sin⁡x\sin x über [0;2π][0; 2\pi] ist deshalb 00, obwohl die Fläche nicht null ist.

Weitere Näherungen: Links-, Rechts- und Mittelsumme (Höhe am linken, rechten Rand bzw. in der Mitte) und die Trapezsumme.

Ausprobieren

  1. Drücke mehrmals n verdoppeln und beobachte, wie Unter- und Obersumme zusammenrücken.
  2. Ziehe die Grenzen aa und bb auf der x-Achse.
  3. Wähle sin⁡x\sin x von 00 bis 2π2\pi. Warum ist die Summe fast null? Flächenbilanz
  4. Vergleiche Mittelsumme und Trapezsumme. Welche ist bei gleichem nn genauer? Trapezsumme

Aufgaben

Aufgabe 1: Von Hand rechnen

Berechne für f(x)=x2f(x) = x^2 auf [0;2][0; 2] mit n=4n = 4 die Unter- und die Obersumme. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

Δx=0,5\Delta x = 0{,}5. Weil ff auf [0;2][0; 2] steigt, liegt das Minimum jeweils links, das Maximum rechts:

U4=0,5⋅(0+0,25+1+2,25)=1,75O4=0,5⋅(0,25+1+2,25+4)=3,75U_4 = 0{,}5 \cdot (0 + 0{,}25 + 1 + 2{,}25) = 1{,}75 \qquad O_4 = 0{,}5 \cdot (0{,}25 + 1 + 2{,}25 + 4) = 3{,}75

Der exakte Wert ist 83≈2,67\frac{8}{3} \approx 2{,}67.

Aufgabe 2: Wie viele Streifen?

Für steigende Funktionen gilt On−Un=Δx⋅(f(b)−f(a))O_n - U_n = \Delta x \cdot (f(b) - f(a)). Wie groß muss nn für f(x)=x2f(x) = x^2 auf [0;2][0; 2] sein, damit On−Un<0,1O_n - U_n < 0{,}1 gilt?

Lösung anzeigen

On−Un=2n⋅(4−0)=8n<0,1⇒n>80O_n - U_n = \frac{2}{n} \cdot (4 - 0) = \frac{8}{n} < 0{,}1 \Rightarrow n > 80, also mindestens n=81n = 81. Zum Beispiel n=128n = 128: 8128=0,0625\frac{8}{128} = 0{,}0625. In der Simulation zeigen

Aufgabe 3: Flächen unter der x-Achse

Berechne ∫−23(0,5x3−2x) dx\int_{-2}^{3} (0{,}5x^3 - 2x)\,\mathrm{d}x mit der Stammfunktion F(x)=0,125x4−x2F(x) = 0{,}125x^4 - x^2 und vergleiche mit der Simulation. Warum ist das nicht der Inhalt der eingeschlossenen Fläche?

Lösung anzeigen

F(3)−F(−2)=(10,125−9)−(2−4)=3,125F(3) - F(-2) = (10{,}125 - 9) - (2 - 4) = 3{,}125. Teile des Graphen liegen unter der x-Achse; diese Flächen werden abgezogen. Für den Flächeninhalt müsste man an den Nullstellen aufteilen und die Beträge addieren. In der Simulation zeigen

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Oberstufe (Flächeninhalt und bestimmtes Integral, oft auf erhöhtem Anforderungsniveau); auch für die Einführung des Integralbegriffs allgemein.
  • Animation: Beim Verdoppeln bzw. Halbieren von nn wachsen die neuen Rechtecke aus den alten heraus. Die Tabelle zeigt die Summen für n=4n = 4 bis 128128.
  • Hinweis zur Berechnung: Minimum und Maximum je Streifen werden exakt bestimmt: Die Simulation vergleicht die Funktionswerte an den Streifenrändern und an den Stellen mit f′(x)=0f'(x) = 0 im Streifen.
  • Häufige Stolpersteine:
    • Integral und Flächeninhalt werden gleichgesetzt, auch wenn der Graph unter die x-Achse geht.
    • Untersumme = Linkssumme gilt nur für steigende Funktionen.