{"id":697,"date":"2010-12-17T18:14:25","date_gmt":"2010-12-17T17:14:25","guid":{"rendered":"http:\/\/www.jomo.org\/?p=697"},"modified":"2021-05-29T14:37:36","modified_gmt":"2021-05-29T13:37:36","slug":"experimentelle-integralrechnung-flachen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.jomo.org\/index.php\/experimentelle-integralrechnung-flachen","title":{"rendered":"Experimentelle Integralrechnung: Fl\u00e4chen"},"content":{"rendered":"<p>Thematische Voraussetzung ist die Differentialrechnung. Die Erinnerung an zwei Zusammenh\u00e4nge halte ich hier f\u00fcr wesentlich:<\/p>\n<ul>\n<li>Die y-Werte der ersten Ableitung einer Funktion f(x) repr\u00e4sentieren die Tangentensteigungen dieser Funktion f(x) an den jeweiligen x-Werten.<\/li>\n<li>Die Funktionsterme von f(x) und ihrer ersten Ableitung f'(x) h\u00e4ngen miteinander zusammen.<\/li>\n<\/ul>\n<p><strong>Fl\u00e4chenberechnungen<\/strong><\/p>\n<p>Wir experimentieren mit Fl\u00e4chenberechnungen und verwenden dazu <a title=\"geogebra.org\" href=\"http:\/\/www.geogebra.org\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">Geogebra<\/a>. Geogebra ist gratis, einfach zu bedienen und hat eine unglaubliche Funktionalit\u00e4t, die den experimentellen Zugang zu Mathematik hervorragend unterst\u00fctzt.<\/p>\n<p><strong>Experiment 1<\/strong><\/p>\n<p>Wir definieren eine Funktion f(x) = x und betrachten die Fl\u00e4che zwischen x-Achse und Funktion zwischen x=0 und x=1. Geogebra berechnet und kennzeichnet diese Fl\u00e4che mit dem Befehl INTEGRAL[f(x),0,1]. Das Ergebnis ist klarerweise 1*1\/2 = 1\/2, das halbe Quadrat 1*1.<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignnone size-full wp-image-702\" style=\"border: 1px solid black;\" title=\"Fl\u00e4chen- und Integralrechnung\" src=\"http:\/\/www.jomo.org\/wp-content\/uploads\/2010\/12\/integral-11.png\" alt=\"Fl\u00e4chen- und Integralrechnung\" width=\"500\" height=\"356\" srcset=\"https:\/\/www.jomo.org\/wp-content\/uploads\/2010\/12\/integral-11.png 500w, https:\/\/www.jomo.org\/wp-content\/uploads\/2010\/12\/integral-11-300x213.png 300w\" sizes=\"auto, (max-width: 500px) 100vw, 500px\" \/><\/p>\n<p>Die Fl\u00e4che von x=0 bis x=2 &#8211; INTEGRAL[f(x),0,2] &#8211; ergibt 2*2\/2 = 2.<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignnone size-full wp-image-703\" style=\"border: 1px solid black;\" title=\"Fl\u00e4chen- und Integralrechnung\" src=\"http:\/\/www.jomo.org\/wp-content\/uploads\/2010\/12\/integral-2.png\" alt=\"Fl\u00e4chen- und Integralrechnung\" width=\"500\" height=\"354\" srcset=\"https:\/\/www.jomo.org\/wp-content\/uploads\/2010\/12\/integral-2.png 500w, https:\/\/www.jomo.org\/wp-content\/uploads\/2010\/12\/integral-2-300x212.png 300w\" sizes=\"auto, (max-width: 500px) 100vw, 500px\" \/><\/p>\n<p>F\u00fcr weitere Fl\u00e4chen ergibt sich aus der Formal x*x\/2 bzw. x<sup>2<\/sup>\/2 wiederum jeweils ein halbes Quadrat.<\/p>\n<p>Es sei hier auf einen besonderen Zusammenhang hingewiesen: f(x) = x ist die Ableitung der Funktion F(x) = x<sup>2<\/sup>\/2, und das ist die Fl\u00e4chenberechnungsformel f\u00fcr die Fl\u00e4che zwischen f(x) und x-Achse. Wir werden mit Hilfe einer anderen (vorerst linearen) Funktion testen, ob dieser Zusammenhang zwischen Funktion und Fl\u00e4chenformel auch bei anderen Funktionen gilt.<\/p>\n<p><strong>Experiment 2<br \/>\n<\/strong><\/p>\n<p>Berechnen wir die Fl\u00e4chen zwischen f(x) = 2x und x-Achse von Null weg. Als Formel f\u00fcr den Fl\u00e4cheninhalt erhalten wir A = 2x<sup>2<\/sup>\/2 = x<sup>2<\/sup>. Von F(x) = x<sup>2<\/sup> ist f(x) = 2x die Ableitung. Dieser Zusammenhang ist bei allen linearen Funktionen festzustellen.<\/p>\n<p>Wie bei der Differentialrechnung die Tangentensteigung an einer Stelle x als y-Wert aufgetragen wurde, trage ich hier den Fl\u00e4cheninhalt bis b an der Stelle x=b als y-Wert auf. Beachten Sie zuerst, was der y-Wert von P<sub>A<\/sub> bedeutet und ver\u00e4ndern Sie den Schieberegler-Wert von b : Die Spur des Punkte P<sub>A<\/sub> zeigt den Funktionsverlauf von F(x).<\/p>\n<p>Mit Doppelklick auf die Funktion f(x)=2x k\u00f6nnen Sie den Funktionsterm ver\u00e4ndern. Als Kommazeichen verwenden Sie den Punkt!<\/p>\n<p><iframe loading=\"lazy\" scrolling=\"no\" title=\"Fl\u00e4chenberechnung experimentell\" src=\"https:\/\/www.geogebra.org\/material\/iframe\/id\/g2nbk4zc\/width\/508\/height\/327\/border\/888888\/sfsb\/true\/smb\/false\/stb\/false\/stbh\/false\/ai\/false\/asb\/false\/sri\/false\/rc\/false\/ld\/false\/sdz\/false\/ctl\/false\" style=\"border:0px;\" width=\"508px\" height=\"327px\"> <\/iframe><br \/>\n<strong>Verallgemeinerung<\/strong><\/p>\n<p>Tats\u00e4chlich gilt dieser Zusammenhang auch f\u00fcr nicht-lineare Funktionen.<\/p>\n<p>Zusammengefasst l\u00e4sst sich folgendes sagen:<\/p>\n<ol>\n<li>Es ist m\u00f6glich, die Fl\u00e4che zwischen einer (nicht-linearen) Funktion f(x) und x-Achse zu berechnen. Die Formel f\u00fcr den Fl\u00e4cheninhalt h\u00e4ngt mit dem Term jener Funktion F(x) zusammen, von der die Ableitung f(x) ist. Das ist ein bemerkenswerter Zusammenhang! Warum das so ist, wird in einem eigenen Beitrag gekl\u00e4rt.<\/li>\n<li>Der Fl\u00e4cheninhalt kann in beliebigen Intervallen (a,b) berechnet werden. Der Fl\u00e4cheninhalt ist durch F(b) &#8211; F(a) bestimmt, wobei F(x) jene Funktion ist, von der f(x) die Ableitung ist. Achtung: Liegt im Intervall eine Nullstelle, muss der Fl\u00e4cheninhalt abschnittweise berechnet werden. Warum das so ist, wird in einem eigenen Beitrag gekl\u00e4rt.<\/li>\n<\/ol>\n<p>Bei Kenntnis von Ableitungen k\u00f6nnen die Fl\u00e4cheninhalte zwischen Ableitung F'(x)=f(x) und x-Achse manuell nachgerechnet werden.<\/p>\n<p><strong>Beispiel<\/strong><\/p>\n<p>Wir berechnen die Fl\u00e4chen zwischen f(x) = x<sup>2<\/sup> und x-Achse von x = 0 bis 1, 2, 3 bzw. von 1 bis 3 und \u00fcberpr\u00fcfen, ob auch der Zusammenhang zwischen Fl\u00e4chenformel und erster Ableitung besteht.<\/p>\n<p>Nachdem f(x) = x<sup>2<\/sup> die Ableitung von F(x) = x<sup>3<\/sup>\/3 ist (Gegenprobe: Ableitung bilden!) ergibt sich f\u00fcr die gesuchten Fl\u00e4cheninhalte:<\/p>\n<p>(0,1): F(1) &#8211; F(0) = 1\/3<\/p>\n<p>(0,2): F(2) &#8211; F(0) = 8\/3 = 2,67<\/p>\n<p>(0,3): F(3) &#8211; F(0) = 27\/3 = 9<\/p>\n<p>(1,3): F(3) &#8211; F(1) = 27\/3 &#8211; 1\/3 = 26\/3 = 8,67<\/p>\n<p><iframe loading=\"lazy\" scrolling=\"no\" title=\"Fl\u00e4chenberechnung experimentell (2)\" src=\"https:\/\/www.geogebra.org\/material\/iframe\/id\/wfdp3j7z\/width\/508\/height\/327\/border\/888888\/sfsb\/true\/smb\/false\/stb\/false\/stbh\/false\/ai\/false\/asb\/false\/sri\/false\/rc\/false\/ld\/false\/sdz\/false\/ctl\/false\" style=\"border:0px;\" width=\"508px\" height=\"327px\"> <\/iframe><br \/>\nAuf Integrationsmethoden wird hier vorl\u00e4ufig verzichtet. Erstens gibt es genug Darstellungen in den klassischen Lehrb\u00fcchern und zweitens hei\u00dft es im Lehrplan der Handelsakademien &#8222;Einf\u00fchrung in die Integralrechnung&#8220;.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Thematische Voraussetzung ist die Differentialrechnung. Die Erinnerung an zwei Zusammenh\u00e4nge halte ich hier f\u00fcr wesentlich: Die y-Werte der ersten Ableitung einer Funktion f(x) repr\u00e4sentieren die Tangentensteigungen dieser Funktion f(x) an den jeweiligen x-Werten. Die Funktionsterme von f(x) und ihrer ersten Ableitung f'(x) h\u00e4ngen miteinander zusammen. Fl\u00e4chenberechnungen Wir experimentieren mit Fl\u00e4chenberechnungen und verwenden dazu Geogebra. 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