Analysis
Stammfunktionen und unbestimmtes Integral
Ableiten rückwärts: die Stammfunktion und die Integrationsregeln.
Benötigte Grundlagen
Diese Themen kommen in diesem Kapitel vor und wurden vorher schon erklärt. Wenn dir eines davon unsicher vorkommt, frisch es kurz auf, sonst leg direkt los.
Einführung
Du kennst die Geschwindigkeit, wie findest du den zurückgelegten Weg? Das ist rückwärts: die Suche nach der Stammfunktion. Diese Umkehrung des Differenzierens heißt und ist das zweite große Standbein der Analysis. Mit ihr rekonstruierst du Bestände aus Änderungsraten und berechnest bald unter Kurven.
Das kannst du nach diesem Kapitel
den Begriff Stammfunktion erklären ().
die Integrationskonstante und ihre Bedeutung verstehen.
Stammfunktionen mit der Potenzregel rückwärts bestimmen.
Stammfunktionen von , und angeben.
Ableiten rückwärts, die Frage hinter dem Integrieren
In Klasse 11 hast du aus einer Funktion ihre Änderungsrate gewonnen: Aus dem Weg wurde die Geschwindigkeit .
Im Alltag ist es aber oft genau umgekehrt. Ein Tacho zeigt dir laufend die Geschwindigkeit, was dich interessiert, ist der Weg. Ein misst den momentanen Zufluss in ein Becken, du willst wissen, wie viel Wasser insgesamt drin ist.
Die Frage lautet also: Ich kenne die , wie komme ich zur Funktion zurück?
Das ist eine Umkehraufgabe, wie du sie schon kennst
Dieses Muster begleitet dich seit Klasse 5: Zu jeder Rechenart gehört eine Umkehrung.
| Bekannt | Gesucht | Umkehrung |
|---|---|---|
| Summand | Subtraktion | |
| Basis | ||
| Exponent | ||
| die Funktion |
Der Begriff
Eine Funktion heißt Stammfunktion von , wenn ihre Ableitung wieder ergibt:
Beispiel: ist eine Stammfunktion von , denn ✓
Wie man eine Stammfunktion findet, und prüft
Anfangs suchst du sie durch Rückwärtsdenken: „Welche Funktion ergibt abgeleitet ?" Dabei hilft die Erfahrung aus dem Ableiten.
Und die Kontrolle ist immer dieselbe und immer eindeutig: Leite dein Ergebnis ab. Kommt die Ausgangsfunktion heraus, stimmt es.
Das ist der große Vorteil dieses Kapitels: Du kannst jede Lösung selbst überprüfen, ohne das Ergebnis zu kennen. Nutze das bei jeder Aufgabe, es kostet Sekunden und findet jeden Fehler.
Zur Schreibweise: Die Stammfunktion schreibt man mit großem Buchstaben ( zu ). Das ist keine Kleinigkeit, und zu verwechseln ist die häufigste Fehlerquelle in Integralaufgaben.
F(x)=x² und ihre Ableitung f(x)=2x
Die und die Gerade im selben : F ist eine Stammfunktion von f, denn an jeder Stelle entspricht die von F dem Funktionswert von f. Bei hat die Steigung , genau .
Warum es unendlich viele Stammfunktionen gibt
ist eine Stammfunktion von . Aber ist sie die einzige? Probiere aus:
Alle drei funktionieren. Und der Grund ist bekannt: Beim fällt jede Konstante weg, weil sie die nicht verändert.
Die entscheidende Erkenntnis
Weil man beliebig viele Konstanten anhängen kann, gibt es unendlich viele Stammfunktionen. Und sie unterscheiden sich ausschließlich um eine Konstante, mehr Freiheit gibt es nicht.
Warum nicht mehr? Hätten zwei Funktionen und dieselbe Ableitung, dann hätte ihre Differenz die Ableitung null:
Eine Funktion mit der Ableitung null ist aber überall waagerecht, also konstant. Also ist eine Konstante, genau das war die Behauptung.
Geometrisch: eine ganze Kurvenfamilie
Alle Stammfunktionen sind parallel nach oben oder unten verschobene Kopien derselben Kurve (siehe Bild). An jeder Stelle haben sie dieselbe Steigung, nur die Höhe unterscheidet sich.
Die Schreibweise
Um alle auf einmal zu erfassen, schreibt man:
Das heißt unbestimmtes ; das ist die Integrationskonstante. „Unbestimmt" heißt genau das: Die Konstante bleibt offen.
Das gehört zur Lösung. Wer es weglässt, gibt nur eine von unendlich vielen Stammfunktionen an, in Klassenarbeiten kostet das Punkte.
Wann wird konkret? Sobald eine Zusatzbedingung dazukommt. „Die Stammfunktion soll durch gehen" legt eindeutig fest, genauso, wie du in der Physik den Anfangsort brauchst, um aus der Geschwindigkeit den Ort zu bestimmen.
Stammfunktionen mit Konstante C
Drei Stammfunktionen von , die sich nur um die Integrationskonstante unterscheiden: Alle drei sind vertikal verschobene Kopien von , an jeder Stelle dieselbe , nur die Höhe unterscheidet sich um .
Die Potenzregel rückwärts, selbst hergeleitet
Rückwärtsraten funktioniert bei noch gut. Bei wird es mühsam. Also entwickeln wir eine Regel: und zwar aus dem, was du schon weißt.
Der Gedankengang
Gesucht ist eine Stammfunktion von . Beim sinkt der Exponent um . Wenn wir das umkehren wollen, muss der Exponent also steigen:
Prüfen wir das durch Ableiten:
Fast richtig! Wir erhalten , allerdings mit dem Störfaktor davor.
Den Störfaktor beseitigen
Ein konstanter Faktor bleibt beim Ableiten erhalten. Wenn wir also von Anfang an durch teilen, er sich genau weg:
Damit ist die Regel hergeleitet:
Das Rezept in Worten: Exponent um erhöhen, dann durch den neuen Exponenten teilen.
Warum ausgeschlossen ist
Für stünde im , und durch null darf man nicht teilen. Die Regel versagt also genau bei .
Das ist keine Lücke der Regel, sondern ein echter Sonderfall: Die Stammfunktion von ist keine , sondern der natürliche . Im Grundkurs brauchst du das nicht, aber du solltest wissen, warum die Einschränkung dasteht.
Beispiele mit Probe
Der letzte Fall wird oft vergessen: Auch eine Konstante hat eine Stammfunktion, aus wird . Prüfe es durch Ableiten.
Faktor- und Summenregel, warum man gliedweise arbeiten darf
Mit der Potenzregel kannst du einzelne . Echte Aufgaben enthalten aber Summen wie . Zwei Regeln erlauben, solche in kleine Häppchen zu zerlegen:
In Worten: Ein konstanter Faktor darf vor das Integral gezogen werden, und eine Summe wird gliedweise integriert.
Warum das gilt
Beide Regeln sind keine neuen Behauptungen. Sie sind die Rückseite der Ableitungsregeln aus Klasse 11.
Dort galt: und . Wenn also eine Stammfunktion von ist und eine von , dann prüfe nach:
ist damit eine Stammfunktion von , genau das behauptet die Summenregel. Für den Faktor läuft es identisch.
Und was NICHT geht
Für Produkte gibt es keine solche Regel: genauso wie beim , wo die nötig war. Prüfe es an einem Gegenbeispiel (die Konstanten lassen wir nur für diesen Vergleich weg): , aber . Verschiedene Ergebnisse.
Merke: Summen und konstante Faktoren darfst du zerlegen. Produkte und Quotienten nicht. Das ist dasselbe Muster wie bei den - und , nur dort war es umgekehrt (Produkte ja, Summen nein).
Die speziellen Stammfunktionen, und die Vorzeichenfalle
Für , und brauchst du keine neuen Regeln. Du liest einfach die Ableitungstabelle aus Klasse 11 von rechts nach links.
Die e-Funktion
Sie bleibt sich auch beim selbst, wie schon beim teilen nur ihre diese Eigenschaft mit ihr.
Sinus und Kosinus, hier lauert der häufigste Fehler
Die Ableitungen waren:
Lies die erste Zeile rückwärts: Wenn Ableiten aus ein macht, dann führt Integrieren von zurück zu :
Bei der zweiten Zeile musst du aufpassen. Rückwärts gelesen: Die Stammfunktion von ist . Gesucht ist aber die von , also brauchst du das Gegenteil:
Probe: ✓
Die Tabelle im Vergleich
| Ableitung | Stammfunktion | |
|---|---|---|
Das Minus wandert: Beim Ableiten steht es beim , beim Integrieren beim . Genau diese Vertauschung erzeugt die meisten Vorzeichenfehler.
Verlass dich nicht auf das Gedächtnis, sondern auf die Probe. Leite deine Stammfunktion ab, bei einem falschen Vorzeichen fällt es sofort auf, weil das Ergebnis dann ein Minus zu viel oder zu wenig hat.
Denk weiter: Ein Fahrzeug startet bei null und hat nach t Sekunden die Geschwindigkeit 2 t Meter pro Sekunde. Wie weit ist es nach 3 Sekunden gefahren?
Rechne erst selbst. Es ist die Einstiegsfrage dieses Kapitels, jetzt mit Werkzeug.
Gesucht ist der Weg , dessen die Geschwindigkeit ist: . Also ist eine Stammfunktion von :
Welches ? Das sagt die Anfangsbedingung: Bei steht das Fahrzeug am Start, also . Einsetzen: , folglich und .
Genau dafür ist das da: Die Geschwindigkeit allein verrät nie, wo die Fahrt begann, erst der Anfangswert legt die eine richtige Stammfunktion fest. In Klasse 11 bist du diesen Weg vorwärts gegangen (vom Weg zur Geschwindigkeit); jetzt kannst du ihn rückwärts.
Polynom integrieren
Bestimme .
- 1
Was ist gesucht? Eine Funktion , deren der in der Klammer ist. Weil kein Intervall angegeben ist, handelt es sich um ein unbestimmtes , die Antwort ist also eine Funktion (mit ), keine Zahl.
- 2
Welche Regeln brauchen wir? Der Term ist eine Summe aus drei Gliedern mit Vorfaktoren. Zwei Regeln erlauben, ihn zu zerlegen:
- Summenregel: gliedweise integrieren
- Faktorregel: konstante Faktoren bleiben stehen
Dadurch reduziert sich alles auf drei kleine Aufgaben mit der Potenzregel.
- 3
Erstes Glied: . Exponent um erhöhen (), dann durch den neuen Exponenten teilen:
Rechne den Faktor sofort aus: . Wer stehen lässt, schleppt unnötige mit.
- 4
Zweites Glied: . Hier ist , der neue Exponent also :
Das Vorzeichen wird mitgenommen. Es gehört zum Faktor.
- 5
Drittes Glied: die Konstante . Schreibe , dann liefert die Potenzregel den Exponenten :
Das ist der am häufigsten vergessene Schritt. Konstanten verschwinden beim Ableiten, beim Integrieren entsteht aus ihnen ein Term mit .
- 6
Zusammensetzen, und das nicht vergessen.
- 7
Die Probe durch Ableiten. Das ist bei Integralen die zuverlässigste Kontrolle:
Der Ausgangsterm kommt exakt heraus, die Stammfunktion ist richtig. (Das fällt beim Ableiten weg, wie es sein muss.)
Das Vorgehen bei jedem Polynom: gliedweise vorgehen → Exponent → durch den neuen Exponenten teilen → Faktoren sofort ausrechnen → ergänzen → durch Ableiten prüfen.
Wurzeln und Brüche integrieren
Bestimme: a) b)
- 1
Das gemeinsame Problem. Die Potenzregel braucht eine . und musst du deshalb zuerst umschreiben, genau wie beim in Klasse 11:
Die Reihenfolge ist immer: umschreiben, , zurückschreiben.
- 2
a) Umschreiben und die Regel anwenden.
Exponent um erhöhen: . Dann durch den neuen Exponenten teilen:
Der Bruch im Bruch: Durch teilen heißt mit dem multiplizieren.
- 3
a) Zurückschreiben und prüfen. In Wurzelform:
Probe durch Ableiten:
Die Faktoren und sich weg: genau das war der Zweck des in der Regel.
- 4
b) Umschreiben.
Exponent um erhöhen: . Achte auf das Rechnen mit negativen Zahlen. Es wird addiert, der Exponent wird also größer.
- 5
b) Zurückschreiben und prüfen.
Probe:
Das Minuszeichen ist kein Versehen. Es entsteht durch den Nenner in der Regel. Wer es weglässt, erhält beim Ableiten das falsche Vorzeichen.
- 6
Ein Hinweis zur Abgrenzung: Bei b) war , und die Regel war anwendbar. Nur der Fall , also , ist ausgeschlossen, dort wäre der Nenner null. Prüfe deshalb vor dem Rechnen kurz, ob der Exponent ist.
a) · b)
Merke: erst in Potenzschreibweise bringen, dann die Potenzregel, dann zurückschreiben, und immer durch Ableiten gegenprüfen.
Spezielle Funktionen
Bestimme .
- 1
Aufbau erkennen. Zwei Summanden, jeder mit einem konstanten Faktor. Also wieder gliedweise vorgehen (Summenregel) und die Faktoren stehen lassen (Faktorregel).
Neu ist nur, dass hier keine stehen, sondern die speziellen Funktionen und .
- 2
Erstes Glied: . Die e-Funktion bleibt beim Integrieren sich selbst:
Kein neuer Exponent, kein . Das ist der bequemste Fall überhaupt.
- 3
Zweites Glied: , hier die Vorzeichenfalle. Die Stammfunktion von ist :
Woher das Minus kommt: Beim Ableiten von entsteht ein Minus. Damit die Ableitung unserer Stammfunktion ein positives ergibt, muss davor schon ein Minus stehen.
- 4
Zusammensetzen.
Beachte den Vorzeichenwechsel: Im Ausgangsterm stand ein Plus vor dem Sinus, in der Stammfunktion steht ein Minus vor dem Kosinus.
- 5
Die Probe, hier besonders wichtig.
Das doppelte Minus wird zum Plus, und wir landen genau beim Ausgangsterm.
Wenn du dir beim Vorzeichen unsicher bist: Schreib die Stammfunktion hin und leite sie ab. Kommt das Vorzeichen falsch heraus, dreh es in der Stammfunktion um. Das ist schneller als langes Grübeln.
Die drei Grundfälle: · · . Beim sitzt das Minus beim , beim beim .
Typischer Fehler
Das ist statt integriert! Beim wird der Exponent erhöht: . Kontrolle durch Ableiten: ✓, dagegen . Merke die Richtung: Ableiten senkt, Integrieren hebt den Exponenten. Und das fehlt bei der falschen Version sowieso.
Übung 1
leichtBestimme: a) b) c)
Tipp anzeigen
Exponent +1, teilen, .
Lösung anzeigen
a)
b)
c)
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
a) Potenzregel rückwärts
: Exponent um 1 ERHÖHEN, durch den neuen Exponenten teilen.
- 2
b) Mit Vorfaktor
.
✓
- 3
c) Konstante integrieren und das +C verstehen
(denn ).
Übung 2
mittelBestimme: a) b)
Tipp anzeigen
b) , Minus beim -Faktor beachten.
Lösung anzeigen
a)
b)
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
a) Polynom summandenweise integrieren
.
✓
- 2
b) Die Grundintegrale von cos und e^x
.
- 3
Die Werkzeugkiste sortieren
Bausteine bis hier: (), Konstanten (), , , , plus Summen- und Faktorregel.
Übung 3
schwera) Bestimme die Stammfunktion von , die durch den Punkt geht. b) Wie viele Stammfunktionen erfüllen diese Punktbedingung?
Tipp anzeigen
a) Erst allgemein , dann aus der Bedingung.
Lösung anzeigen
a) . Bedingung : .
b) Genau eine, die Punktbedingung legt eindeutig fest.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
a) Die allgemeine Stammfunktion
, die ganze Familie der Stammfunktionen von .
- 2
a) C aus der Punktbedingung
: . Also .
Zwischenergebnis
- 3
b) Wie viele Lösungen gibt es?
Genau EINE: Die Punktbedingung ist eine in mit eindeutiger Lösung, jede senkrechte Verschiebung trifft den Punkt entweder oder nicht.
Zusammenfassung
ist rückwärts: ist Stammfunktion von , wenn . Da Konstanten beim Ableiten wegfallen, gibt es unendlich viele, daher das im unbestimmten Integral. Die Potenzregel rückwärts (Exponent +1, dann teilen) sowie , , decken die Grundkurs-Funktionen ab. Die Probe durch Ableiten ist immer möglich.


