Worum geht es?
Eine Funktion heißt Stammfunktion von , wenn gilt. Die Werte von sind also die Steigungen von : Die Höhe des Graphen von an der Stelle ist die Steigung des Graphen von an derselben Stelle.
Daraus lässt sich skizzieren, ohne zu rechnen (grafisches Aufleiten):
- Wo ist, steigt ; wo ist, fällt . Je größer , desto steiler ist .
- Eine Nullstelle von mit Vorzeichenwechsel ist eine Extremstelle von : von nach ein Hochpunkt, von nach ein Tiefpunkt. Ohne Vorzeichenwechsel entsteht ein Terrassenpunkt.
- Eine Extremstelle von ist eine Wendestelle von – dort ist am steilsten oder am flachsten. Wo steigt, ist linksgekrümmt, wo fällt, rechtsgekrümmt.
- Die Fläche zwischen dem Graphen von und der -Achse zwischen zwei Nullstellen ist die Höhenänderung von dort (oberhalb positiv, unterhalb negativ).
Stammfunktionen sind nicht eindeutig: Mit ist auch eine Stammfunktion, denn die Konstante fällt beim Ableiten weg. Alle Stammfunktionen bilden eine Kurvenschar, deren Graphen nur senkrecht gegeneinander verschoben sind. Im Richtungsfeld sieht man das: Die kleinen Striche mit Steigung sind in jeder senkrechten Spalte gleich.
Ein Anfangswert wählt aus der Schar genau eine Stammfunktion aus (Anfangswertproblem): Aus und folgt
Beispiel: hat die Stammfunktionen . Mit gilt , also und .
Im Alltag ist oft eine Änderungsrate und ein Bestand: Zufluss → Wassermenge, Einzahlungsrate → Kontostand, Steiggeschwindigkeit → Höhe, Ladestrom → Ladung. Der Anfangsbestand ist die Konstante.
Ausprobieren
- Steigung übertragen: Drücke „P durchlaufen lassen“. Vergleiche die Länge des lila Balkens oben mit der senkrechten Seite des Steigungsdreiecks unten.
- Richtungsfeld: Zieh den Anfangspunkt nach oben und unten. Warum bleibt die Kurve immer „im Strom“ der Striche? Drücke „C durchprobieren“.
- Anfangswertproblem: Lies in der Karte ab und prüfe die Rechnung oben.
- Merkmale: Drücke „Merkmale Schritt für Schritt“. Welche Stelle von gehört zum Wendepunkt von ?
- Nullstelle ohne Vorzeichenwechsel: Was hat bei ?
- Flächenstücke von sin: Drücke „Flächen übertragen“. Warum ist jedes Stück gleich groß?
- Umgekehrt: F → f: Lass die Tangente laufen. Wo ist null, wo am kleinsten?
- Treppe und selbst gezeichnete Funktion: Ziehe die blauen Punkte oben – ändert sich sofort mit.
- Alltag: Sparkonto, Heißluftballon, Aufzug, Heizung, Akku, Parkhaus, CO₂ im Klassenzimmer. Was bedeuten Hochpunkt und Wendepunkt jeweils?
Aufgaben
Aufgabe 1: Selbst skizzieren
Skizziere die Stammfunktion von mit : Zieh die sieben Punkte, dann „Lösung aufdecken“. Aufgabe laden
Lösung anzeigen
für , für . steigt bis (Hochpunkt, : ), fällt bis (Tiefpunkt, : ) und steigt dann. Bei hat einen Tiefpunkt, also hat dort einen Wendepunkt. , Hochpunkt , Tiefpunkt . Lösung zeigen
Aufgabe 2: Anfangswertproblem
Bestimme die Stammfunktion von mit und berechne . Aufgabe laden
Lösung anzeigen
; . Also und . Lösung zeigen
Aufgabe 3: Kosinus und Exponentialfunktion
a) Welche Stammfunktion von geht durch ? Berechne . b) Welche Stammfunktion von geht durch ? Aufgabe laden
Aufgabe 4: Regenbecken
Der Netto-Zufluss ist (in m³/h), zu Beginn sind m³ im Becken. Wann ist im Zeitraum h am wenigsten, wann am meisten Wasser im Becken? Wann nimmt die Wassermenge am schnellsten zu? Aufgabe laden
Lösung anzeigen
: Nullstellen (, Tiefpunkt) und (, Hochpunkt). , also m³ (am meisten). Am wenigsten Wasser ist bei h und am Rand h im Becken, je m³: und . Am schnellsten nimmt zu, wo am größten ist: bei h (Wendepunkt von ). Zeigen
Aufgabe 5: Aufzug
Ein Aufzug fährt 2 s an (bis 2 m/s), 6 s mit 2 m/s, bremst 2 s, hält 3 s und fährt dann abwärts: 2 s anfahren bis 2 m/s, 2 s mit 2 m/s, 2 s bremsen. Er startet im Erdgeschoss. In welcher Höhe hält er, in welcher steht er am Ende? Ein Stockwerk ist 4 m hoch. Aufgabe laden
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Fläche aufwärts: m (4. Stock). Abwärts: m. Am Ende: m, also im 2. Stock. Zeigen
Aufgabe 6: Wahr oder falsch?
„Hat bei einen Hochpunkt, so hat auch bei einen Hochpunkt.“
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Falsch. Ein Hochpunkt von bedeutet: Die Steigung von ist dort am größten – hat bei eine Wendestelle. Beispiel : Hochpunkt bei , und hat dort einen Wendepunkt. Beispiel
Ideen für den Unterricht
- Einsatz: Oberstufe (Stammfunktion, grafisches Aufleiten, Integrationskonstante); Anfangswertprobleme als Ausblick auf Differentialgleichungen. Die Ansichten lassen sich als Abfolge nutzen: Steigung übertragen → Richtungsfeld → Merkmale → Flächenstücke → umgekehrt → eigene Skizze.
- Aufgabenmodus: In „Aufgabe: F skizzieren“ zeigt die Karte zunächst nur Hinweise (Anfangspunkt getroffen? Anzahl der Extremstellen?). Erst „Lösung aufdecken“ zeigt die richtige Kurve, die Abweichung und für jeden Abschnitt, ob die Steigung passt. Gut für Partnerarbeit: Eine Person skizziert, die andere begründet.
- Gegenstück: Zusammen mit „Ableitungsfunktion grafisch“ und „Integralfunktion und Hauptsatz“ einsetzen – dieselben Zusammenhänge in umgekehrter Richtung bzw. mit der Fläche als Integral.
- Alltagsbezug: Die acht Beispiele deuten Hochpunkte (meiste Wassermenge, höchster Kontostand, größte Höhe) und Wendepunkte (stärkste Zunahme) im Sachzusammenhang, mit Einheiten (m³/h · h = m³).
- Häufige Stolpersteine:
- Hochpunkte von werden mit Hochpunkten von verwechselt.
- Die Integrationskonstante wird vergessen oder man glaubt, es gäbe nur eine Stammfunktion.
- Eine Nullstelle ohne Vorzeichenwechsel wird als Extremstelle von gedeutet.
- Beim Anfangswert wird gesetzt, obwohl ist (z. B. bei ).