Mittelstufe Mathematik & Logik 10 Punkte · ~20 Min.

Fläche zwischen Parabel und x-Achse

Aufgabenstellung

Gegeben ist die Funktion f(x)=x2−4x+3f(x) = x^2 - 4x + 3.

  • (a) Bestimmen Sie die Nullstellen von ff und skizzieren Sie den Graphen im Intervall [−1;  5][-1;\; 5]. (2 BE)
  • (b) Berechnen Sie die Fläche, die der Graph von ff mit der xx-Achse einschließt. (4 BE)
  • (c) Berechnen Sie ∫04f(x) dx\displaystyle\int_0^4 f(x)\,dx und erklären Sie, warum dieses Integral nicht die gesuchte Fläche liefert. (4 BE)

Lösungsweg

Schritt 1: Nullstellen (a)

f(x)=x2−4x+3=(x−1)(x−3)=0f(x) = x^2 - 4x + 3 = (x-1)(x-3) = 0

x1=1,x2=3\boxed{x_1 = 1, \quad x_2 = 3}

Der Graph ist eine nach oben geöffnete Parabel mit Scheitelpunkt bei xS=2x_S = 2, f(2)=4−8+3=−1f(2) = 4 - 8 + 3 = -1.

Zwischen x=1x = 1 und x=3x = 3 verläuft der Graph unterhalb der xx-Achse.

Schritt 2: Fläche zwischen Graph und xx-Achse (b)

Da f(x)≤0f(x) \leq 0 für 1≤x≤31 \leq x \leq 3, muss der Betrag genommen werden:

A=∣∫13f(x) dx∣A = \left|\int_1^3 f(x)\,dx\right|

∫13(x2−4x+3) dx=[x33−2x2+3x]13\int_1^3 (x^2 - 4x + 3)\,dx = \left[\frac{x^3}{3} - 2x^2 + 3x\right]_1^3

Obere Grenze (x=3x = 3):

273−18+9=9−18+9=0\frac{27}{3} - 18 + 9 = 9 - 18 + 9 = 0

Untere Grenze (x=1x = 1):

13−2+3=43\frac{1}{3} - 2 + 3 = \frac{4}{3}

∫13f(x) dx=0−43=−43\int_1^3 f(x)\,dx = 0 - \frac{4}{3} = -\frac{4}{3}

A=∣−43∣=43≈1,33 FE\boxed{A = \left|-\frac{4}{3}\right| = \frac{4}{3} \approx 1{,}33\,\text{FE}}

Schritt 3: Integral über [0;  4][0;\; 4] berechnen (c)

∫04f(x) dx=[x33−2x2+3x]04\int_0^4 f(x)\,dx = \left[\frac{x^3}{3} - 2x^2 + 3x\right]_0^4

=643−32+12−0=643−20=64−603=43= \frac{64}{3} - 32 + 12 - 0 = \frac{64}{3} - 20 = \frac{64 - 60}{3} = \frac{4}{3}

∫04f(x) dx=43\boxed{\int_0^4 f(x)\,dx = \frac{4}{3}}

Schritt 4: Erklärung (c)

Das bestimmte Integral liefert die orientierte Fläche: Flächenanteile unterhalb der xx-Achse werden negativ gezählt. Hier:

∫01f(x) dx+∫13f(x) dx+∫34f(x) dx=43+(−43)+43=43\int_0^1 f(x)\,dx + \int_1^3 f(x)\,dx + \int_3^4 f(x)\,dx = \frac{4}{3} + \left(-\frac{4}{3}\right) + \frac{4}{3} = \frac{4}{3}

Die tatsächliche (geometrische) Fläche zwischen [0;  4][0;\; 4] beträgt:

Agesamt=∫01f(x) dx+∣∫13f(x) dx∣+∫34f(x) dx=43+43+43=4 FEA_{\text{gesamt}} = \int_0^1 f(x)\,dx + \left|\int_1^3 f(x)\,dx\right| + \int_3^4 f(x)\,dx = \frac{4}{3} + \frac{4}{3} + \frac{4}{3} = 4\,\text{FE}

Integral=43,Fla¨che=4 FE\boxed{\text{Integral} = \frac{4}{3}, \quad \text{Fläche} = 4\,\text{FE}}

Ergebnis

FrageAntwort
Nullstellenx1=1x_1 = 1, x2=3x_2 = 3
Fläche zwischen Graph und xx-Achse43≈1,33 FE\frac{4}{3} \approx 1{,}33\,\text{FE}
∫04f(x) dx\int_0^4 f(x)\,dx43\frac{4}{3}
Geometrische Fläche [0;  4][0;\; 4]4 FE4\,\text{FE}