Klasse 13 – Grundlagen

Aufbauend auf Klasse 12.

Integralrechnung

Stammfunktion: FF ist Stammfunktion von ff, wenn F(x)=f(x)F'(x) = f(x).

Grundstammfunktionen:

f(x)f(x) F(x)F(x)
xnx^n (n1n \neq -1) xn+1n+1\dfrac{x^{n+1}}{n+1}
1x\frac{1}{x} ln|x|\ln|x|
exe^x exe^x
eaxe^{ax} 1aeax\frac{1}{a}e^{ax}
sinx\sin x cosx-\cos x
cosx\cos x sinx\sin x

Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung:

abf(x)dx=F(b)F(a)=[F(x)]ab\int_a^b f(x)\, dx = F(b) - F(a) = \Big[F(x)\Big]_a^b

Rechenregeln:

abcf(x)dx=cabf(x)dx\int_a^b c \cdot f(x)\, dx = c \int_a^b f(x)\, dx

ab(f(x)+g(x))dx=abf(x)dx+abg(x)dx\int_a^b \bigl(f(x) + g(x)\bigr)\, dx = \int_a^b f(x)\, dx + \int_a^b g(x)\, dx

abf(x)dx=baf(x)dxaaf(x)dx=0\int_a^b f(x)\, dx = -\int_b^a f(x)\, dx \qquad \int_a^a f(x)\, dx = 0

Flächeninhalt zwischen Graph und xx-Achse:

A=ab|f(x)|dxA = \int_a^b |f(x)|\, dx

Bei Vorzeichenwechsel: Intervall aufteilen, Beträge addieren.

Flächeninhalt zwischen zwei Graphen:

A=ab|f(x)g(x)|dxA = \int_a^b |f(x) - g(x)|\, dx

Volumen eines Rotationskörpers (Rotation von ff um die xx-Achse):

V=πab[f(x)]2dxV = \pi \int_a^b [f(x)]^2\, dx


Normalverteilung

Gaußsche Glockenfunktion:

φ(x)=12πex22(Standardnormalverteilung 𝒩(0,1))\varphi(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{-\frac{x^2}{2}} \quad \text{(Standardnormalverteilung } \mathcal{N}(0,1)\text{)}

Für X𝒩(μ,σ2)X \sim \mathcal{N}(\mu, \sigma^2): Standardisierung durch Z=XμσZ = \dfrac{X - \mu}{\sigma}

Sigma-Regeln:

P(μσXμ+σ)68,3%P(\mu - \sigma \leq X \leq \mu + \sigma) \approx 68{,}3\,\%

P(μ2σXμ+2σ)95,4%P(\mu - 2\sigma \leq X \leq \mu + 2\sigma) \approx 95{,}4\,\%

P(μ3σXμ+3σ)99,7%P(\mu - 3\sigma \leq X \leq \mu + 3\sigma) \approx 99{,}7\,\%

Approximation der Binomialverteilung durch Normalverteilung (de Moivre-Laplace):

Für XB(n,p)X \sim B(n, p) mit μ=np\mu = np, σ=np(1p)\sigma = \sqrt{np(1-p)}:

P(Xk)Φ(k+0,5μσ)(mit Stetigkeitskorrektur)P(X \leq k) \approx \Phi\!\left(\frac{k + 0{,}5 - \mu}{\sigma}\right) \quad \text{(mit Stetigkeitskorrektur)}


Geraden und Ebenen im Raum

Parameterform einer Geraden:

g:x=p+tu,tg\colon \vec{x} = \vec{p} + t \cdot \vec{u}, \quad t \in \mathbb{R}

(p\vec{p}: Aufpunkt, u\vec{u}: Richtungsvektor)

Parameterform einer Ebene:

E:x=p+su+tv,s,tE\colon \vec{x} = \vec{p} + s \cdot \vec{u} + t \cdot \vec{v}, \quad s, t \in \mathbb{R}

Normalenvektor n\vec{n} steht senkrecht auf der Ebene: n=u×v\vec{n} = \vec{u} \times \vec{v}

Normalenform:

E:n(xp)=0E\colon \vec{n} \cdot (\vec{x} - \vec{p}) = 0

Koordinatenform:

E:n1x1+n2x2+n3x3=d,d=npE\colon n_1 x_1 + n_2 x_2 + n_3 x_3 = d, \quad d = \vec{n} \cdot \vec{p}

Gegenseitige Lage

Zwei Geraden:

Fall Kriterium
Identisch gleicher Richtungsvektor, Punkt liegt auf der anderen
Parallel Richtungsvektoren kollinear, nicht identisch
Schneidend eindeutige Lösung des LGS
Windschief kein gemeinsamer Punkt, nicht parallel

Gerade und Ebene: Richtungsvektor in Ebenengleichung einsetzen.

Zwei Ebenen: parallel (Normalenvektoren kollinear) oder schneidend (Schnittgerade bestimmen).

Abstände

Punkt QQ von Ebene EE (Hessesche Normalform):

d(Q,E)=|nqd||n|d(Q, E) = \frac{|\vec{n} \cdot \vec{q} - d|}{|\vec{n}|}

Punkt QQ von Gerade gg:

d(Q,g)=|PQ×u||u|d(Q, g) = \frac{|\overrightarrow{PQ} \times \vec{u}|}{|\vec{u}|}

Winkel

Schnittwinkel zweier Ebenen (Winkel zwischen Normalenvektoren):

cosφ=|n1n2||n1||n2|\cos\varphi = \frac{|\vec{n}_1 \cdot \vec{n}_2|}{|\vec{n}_1| \cdot |\vec{n}_2|}

Winkel Gerade–Ebene:

sinφ=|un||u||n|\sin\varphi = \frac{|\vec{u} \cdot \vec{n}|}{|\vec{u}| \cdot |\vec{n}|}

Kugel

Gleichung der Kugel mit Mittelpunkt M(m1,m2,m3)M(m_1, m_2, m_3) und Radius rr:

(x1m1)2+(x2m2)2+(x3m3)2=r2(x_1 - m_1)^2 + (x_2 - m_2)^2 + (x_3 - m_3)^2 = r^2