Analysis: Klausur Analysis

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Gerhard Schräder
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1 Analysis Klausur zur Integralrechnung Stammfunktionsberechnung, Flächenberechnung, Rotationsvolumen, Funktionen zu Änderungsraten (Bearbeitungszeit: 9 Minuten) Gymnasium J1 Aleander Schwarz Januar 1 1

2 Pflichtteil - ohne Hilfsmittel Aufgabe P1: ( VP) Gib eine Stammfunktion an: a) f() = + cos(,5) b) g() = ( ) c) Gib die Stammfunktion H() der Funktion h() = 1+ an, für die H() = ist. Aufgabe P: ( + VP) Gegeben ist die Funktion f durch f() =,5, a) Skizziere das Schaubild K von f. Die -Achse, K und die Gerade = begrenzen im Bereich eine Fläche. Berechne den Inhalt dieser Fläche. b) Bestimme die Gleichung der Tangente t an den Graphen von f im Punkt B(/). Der Graph von f, seine Tangente in B(/) und die y-achse begrenzen eine Fläche. Berechne ihren Inhalt. Aufgabe P: ( VP) Gegeben ist die Funktion f mit f() =, >. Der Graph G von f, die -Achse und die Gerade = 1 begrenzen eine ins Unendlich reichende Fläche. Untersuche, ob ihr Inhalt einen Grenzwert hat. Aufgabe P: ( VP) Die Abbildung zeigt das Schaubild einer ganzrationalen Funktion f. Begründe, welche der folgenden Aussagen über die Funktion F() = f(t)dt wahr und welche falsch sind. (1) F() < () Der Graph von F ist für -1 < < 1 eine Linkskurve. () F(-) ist positiv. () F (1) ist Null

3 Wahlteil - mit GTR und Formelsammlung Aufgabe W1: ( + VP) Ein Staubecken wird zur Zeit der Schneeschmelze gefüllt. Da die Schneeschmelze temperaturabhängig ist, kann die momentane Zuflussrate des Wassers durch die Funktion w mit w(t) =,5 t t + t+ 5, t 1 beschrieben werden (t in Stunden seit Beobachtungsbeginn, w(t) in m h ). m a) In welchem Zeitraum ist die momentane Zuflussrate größer als 1 h? Zu welchem Zeitpunkt nimmt die momentane Zuflussrate am stärksten ab? Welche mittlere momentane Zuflussrate erhält man für die ersten 1 Stunden seit Beobachtungsbeginn? b) Zu Beobachtungsbeginn enthält das Staubecken 5 m³ Wasser. Wie viel Wasser enthält es nach 1 Stunden? Zeige (ohne GTR), dass die Funktion f mit 1 f(t) = t t + 18 t + 5 t+ 5 ; t 1 1 (t in Stunden seit Beobachtungsbeginn, f(t) in m³ ) die zum Zeitpunkt t im Staubecken enthaltene Wassermenge angibt. Nach welcher Zeit sind 5 m³ Wasser im Becken? Aufgabe W: ( + VP) Gegeben ist die Funktion f durch f() = ; + 1 Der Graph von f, die -Achse und die Geraden = und = schließen eine Fläche ein. Diese rotiert um die -Achse. Der dabei entstehende Rotationskörper stellt die Designstudie einer Flasche dar (Koordinatenangaben in cm). a) Welches Volumen hat die Flasche? b) Solche Flaschen sollen später gefüllt und in einem zylinderförmigen Karton verkauft werden. Dabei steht eine Flasche so in einem cm hohen Zylinder, dass sie an ihrer breitesten Stelle 1 cm Abstand vom Zylindermantel hat. Der die Flasche umgebende Hohlraum ist mit Holzwolle gefüllt. Welches Volumen hat der Hohlraum?

4 Lösungen Aufgabe P1: 1 1 1,5 1 1,5 a) f() = + cos(,5) F() = + sin(,5) = + sin(,5) 1,5,5 b) f() = ( ) F() = ( ) = ( ) = 1 1 c) Es ist H() = + + C 1 Es gilt H() = : = + + C C= 1 1 Die Stammfunktion lautet H() = + 1 Aufgabe P: a) Die Skizze der nach unten geöffneten Parabel wird mit Hilfe einer Wertetabelle durchgeführt. 1 5 y 1,5 1,5 -,5 - Es ist 1 1 f()d = (1 ) = = Da die Fläche unterhalb der -Achse liegt, ist das Ergebnis des Integrals negativ. 1 Die gesuchte Fläche beträgt A= Flächeneinheiten. Tangentengleichung im Punkt B(/): Die allgemeine Tangentenformel lautet y= f (u) ( u) + f(u) Die Berührung erfolgt an der Stelle u = : y= f () ( ) + f() Mit f () = folgt f () =. Außerdem ist f() =. Tangentengleichung in B: y= ( ) + und vereinfacht y= + 8

5 Der gesuchte grau markierte Flächeninhalt beträgt 1 A = ( + 8 (,5 ))d = ( + 8+,5 )d= + 8+ = + + = Flächeneinheiten Aufgabe P: Da die Fläche nach rechts offen ist, wird als obere Grenze die Variable = z gewählt. z z z z z d= d= = = + Für z + strebt + z Die nach rechts offene Fläche hat den Grenzwert A =. Aufgabe P: (1) Es ist F() = f(t)dt Die Fläche zwischen f(t) und der -Achse im Intervall von bis ist größer als. Die Aussage ist falsch. () Der Graph von F ist eine Linkskurve, wenn F () > ist. Da F () = f () ist, muss somit f () > sein. Im Intervall -1 < 1 ist das Schaubild von f() streng monoton wachsend, somit sind Steigungen der Tangenten an f() positiv und die Aussage ist wahr. () F( ) = f(t)dt liefert einen negativen Wert, da die Fläche zwar oberhalb der t-achse liegt, aber von rechts nach links integriert wird und daher das Integral negativ wird. Die Aussage ist falsch. 5

6 () F (1) = f (1) = ist wahr, da bei = 1 das Schaubild von f() einen Hochpunkt besitzt und damit auch eine waagrechte Tangente. Aufgabe W1: a) Zeitraum, in dem die Zuflussrate größer als 1 m³/h ist: Ansatz: w(t) > 1 Die beiden Schaubilder schneiden sich bei t = sowie bei t =,17. Die Zuflussrate ist größer als 1 m³/h im Zeitraum < t<,17. stärkste Abnahme der momentanen Zuflussrate: Die Zuflussrate nimmt am stärksten ab, wenn w(t) minimal wird. Die Zuflussrate wird nach t = 8 Stunden minimal. Mittlere momentane Zuflussrate = w(t)dt = 1= 8 1 m³/h (GTR). 1 b) Wassermenge nach 1 Stunden = 5+ w(t)dt = 5+ 95= 55 m³ 1 Die Stammfunktion f von w(t) mit f() = 5 beschreibt die zum Zeitpunkt t enthaltene Wassermenge., 5 Stammfunktion von w(t): f(t) = t t + t + 5t+ C 1 und vereinfacht f(t) = t t + 18t + 5t+ C 1 Aus f() = 5 folgt C = 5. 1 Damit lautet die gesuchte Stammfunktion f(t) = t t + 18t + 5t+ 5 und diese 1 stimmt mit der dargestellten Funktion überein.

7 Zeit, nach der 5 m³ im Becken sind: f(t) = 5 Lösung mit GTR: Nach t = 5,1 Stunden sind 5 m³ im Becken. Aufgabe W: a) Volumen der Flasche = π f() d 781, cm³ b) Die breiteste Stelle der Flasche entspricht dem Hochpunkt des Schaubildes. Mit dem GTR ergibt sich als Hochpunkt H(/5). Der Radius der Flasche an der breitesten Stelle beträgt daher r = 5 cm. Aufgrund des vorgegebenen Abstandes muss der Zylinder einen Radius von cm haben. Die Zylinderhöhe beträgt cm. V =π r h=π 9 cm³ Zylinder Der Hohlraum beträgt VHohlraum = 9 781, = 11, cm³. 7

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