Mathematik Abitur
Flächenberechnung durch Integralrechnung
Fläche unterhalb der x-Achse Fläche zwischen Parabel und x-Achse - unterhalb der x-Achse Fläche zwischen Parabel und x-Achse - beidseitig der x-Achse Fläche zwischen Parabel und x-Achse zwischen zwei Nullstellen Fläche zwischen Funktionsgraph und x-Achse - begrenzt durch mehrere Nullstellen Fläche zwischen zwei Funktionsgraphen Fläche zwischen zwei Funktionsgraphen - begrenzt durch zwei Schnittpunkte Flächen zwischen zwei Funktionsgraphen - begrenzt durch mehrere Schnittpunkte

Aus der geometrischen Deutung des bestimmten Integrals resultiert die Flächenberechnung als grundlegende Anwendung der Integralrechnung.
Dabei erfordern Unterschiede in Form und Lage der jeweiligen Flächen im Koordinatensystem spezifische Vorgehensweisen.

(1) Flächen unter Funktionsgraphen, die oberhalb oder unterhalb der x-Achse liegen (Bilder 1 und 2)

Die beiden oben angegebenen bestimmten Integrale unterscheiden sich nur durch das Vorzeichen.
Um stets positive Maßzahlen für den Flächeninhalt zu erhalten, schreibt man:

Beispiele:
a) Es ist der Inhalt der Fläche zwischen dem Graphen der Funktion und der x-Achse im Intervall [2; 4] zu berechnen (Bild 3).


Die Fläche liegt unterhalb der x-Achse – wir müssen den Betrag des entsprechenden bestimmten Integrals berechnen.

Der Flächeninhalt beträgt rund 7,3 FE.

b) Es ist der Inhalt der Fläche zwischen dem Graphen der Funktion und der x-Achse in den Grenzen -1 und 1 zu berechnen (s. folgendes Bild 4).
Die Funktion f hat im Intervall eine Nullstelle. Der Graph der Funktion f schneidet in diesem Intervall also die x-Achse – die gesuchte Fläche liegt sowohl unterhalb als auch oberhalb der x-Achse. Aus diesem Grunde wäre es hier falsch, über das gesamte Intervall zu integrieren – man erhielte dann nämlich als Resultat die Summe aus einem "positiven" und einem "negativen" Flächeninhalt.
Die beiden Teilflächen müssen in einem solchen Fall einzeln berechnet werden.



Der Flächeninhalt beträgt 2 FE.

c) Durch den Graphen der Funktion und die x-Achse wird eine Fläche vollständig begrenzt (s. folgendes Bild 5). Der Inhalt dieser Fläche ist zu berechnen.


Der Flächeninhalt beträgt 4,5 FE.

d) Es ist der Inhalt der Fläche zu bestimmen, die der Graph der Funktion und die x-Achse vollständig begrenzen (s. Bild 6).

Durch Substitution und Lösen der quadratischen Gleichung erhält man .

Wir berechnen den Inhalt der Teilflächen.


Der Flächeninhalt beträgt rund 8 FE.

Die Versuche von Mathematikern der Antike, die Quadratur bestimmter, nicht geradlinig begrenzter Figuren zu lösen, führte teilweise zu "überraschenden" Zahlenwerten für Flächeninhalte.

Beispiele:
Die Fläche unter der Normalparabel im Intervall [0; 3] beträgt (s. Bild 7)
:

Selbst wenn die Integrationsgrenzen irrationale Zahlen sind (wie beispielsweise Bogenmaße von Winkeln), können sich für die zugehörigen Flächeninhalte überraschend "glatte" Zahlenwerte ergeben (s. Bilder 8 und 9):

Für die Fläche unter einer Hyperbel in den Grenzen von 1 und (Bild 10) ergibt sich:


(2) Flächen zwischen Funktionsgraphen



Mit den Bezeichnungen aus obigem Bild 11 gilt:

Das heißt:
Dieser Weg der Berechnung von Flächenstücken zwischen Funktionsgraphen ist unabhängig von der Lage des Flächenstücks bezüglich der x-Achse.

Beispiele:
Es ist der Inhalt der Fläche zwischen den Graphen der nachfolgend angegebenen Funktionen f und g zu berechnen.
a) und (s. Bild 12)

Der Flächeninhalt beträgt rund 4,74 FE.

b) und (Bild 13)

Die Graphen der beiden Funktionen schneiden einander also in mehreren Punkten. Es entstehen damit zwischen den Graphen mehrere Teilflächen, die einzeln zu berechnen sind.


Der Flächeninhalt beträgt rund 7 FE.

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