Die Aufgabenbereiche von Integration durch Substitution in der Integralrechnung sind vergleichbar mit denen der Kettenregel in der Differentialrechnung. Als Faustregel kann gesagt werden: Würde man die Kettenregel benutzen, um den Term abzuleiten, muss Substitution benutzt werden, um den Term zu integrieren. Bevor wir allerdings die Substitutionsmethode erklären können, müssen noch das Differential einführen. Differential Eine mögliche Schreibweise für die Ableitung von f ( x) ist df/dx. Auch wenn die Schreibweise eines Bruches verwendet wurde, wird df/dx nicht als Quotient zweier Werte definiert, aber als ein einziges Objekt der Ableitung. df bedeutet nicht d · f, sondern ist vielmehr die Ableitung von f ( x) mal dx. Was bedeutet aber nun dx? Man benutzt diese Schreibweise am Ende von Integralen, um auszudrücken für welche Variable integriert wird. dx repräsentiert eine kleine Veränderung in x, genauso wie Δ x bei den Riemann-Summen. In der Integral- und Differentialrechnung wird dieser Wert unendlich klein, man sagt auch infinitesimal.
200–201 Weblinks [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Einfache Erklärung/Beispiele für die Substitutionsregel Landesbildungsserver BW: Verfahren der linearen Substitution mit ausführlichem Beispiel und Übungen/Lösungen Video: Substitutionsregel. Jörn Loviscach 2011, zur Verfügung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek (TIB), doi: 10. 5446/9911. Video: Integration durch Substitution, Fingerübung. Jörn Loviscach 2013, zur Verfügung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek (TIB), doi: 10. 5446/10142. Video: drei Wege für Integration durch Substitution. 5446/10144. Video: Partielle Integration, Substitutionsregel, Integration durch Partialbruchzerlegung. Jörn Loviscach 2012, zur Verfügung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek (TIB), doi: 10. 5446/9987. Video: Beispiele partielle Integration, Substitutionsregel, Integration durch Partialbruchzerlegung. 5446/9988.
Integration durch Substitution Definition Die Integration durch Substitution dient dazu, einen Term, der zu integrieren ist, zu vereinfachen. Die Vorgehensweise soll an einem einfachen Beispiel gezeigt werden (das allerdings auch anders – ohne Integration durch Substitution – gelöst werden könnte). Beispiel Das Integral $\int_0^1 (2x + 1)^2 dx$ soll in den Integralgrenzen 0 und 1 berechnet werden. Nun kann man (2x + 1) durch u ersetzen ( Substitution). Da (2x + 1) ein linearer Term ist (grafisch eine Gerade), sagt man auch lineare Substitution. u ist also (2x + 1) und die 1. Ableitung u' ist 2. Die erste Ableitung u' kann man auch als du/dx schreiben, somit ist du/dx = 2 bzw. dx = 1/2 du. Zum einen wird jetzt das Integral neu geschrieben: $$\int (2x + 1)^2 dx = \frac{1}{2} \cdot \int u^2 du $$ Zum anderen müssen die Integralgrenzen neu berechnet werden, indem die Funktionswerte für u für die alten Integralgrenzen 0 und 1 berechnet werden: u (0) = 2 × 0 + 1 = 1. u (1) = 2 × 1 + 1 = 3. Das zu berechnende Integral ist somit: $$\int_0^1 (2x + 1)^2 dx = \frac{1}{2} \cdot \int_1^3 u^2 du$$ Die Stammfunktion (die Funktion, die abgeleitet u 2 ergibt) dazu ist 1/3 u 3 + C (dabei ist C die Konstante, die beim Ableiten wegfällt).
Die Integrationsgrenzen verändern sich durch die Substitution: Wenn \displaystyle x von 0 bis 2 läuft, läuft \displaystyle u=u(x) von \displaystyle u(0) = e^0=1 bis \displaystyle u(2)=e^2. \displaystyle \int_{0}^{2} \frac{e^x}{1 + e^x} \, dx = \int_{1}^{\, e^2} \frac{1}{1 + u} \, du = \Bigl[\, \ln |1+ u |\, \Bigr]_{1}^{e^2} = \ln (1+ e^2) - \ln 2 = \ln\frac{1+ e^2}{2}\, \mbox{. } Beispiel 5 Bestimme das Integral \displaystyle \ \int_{0}^{\pi/2} \sin^3 x\, \cos x \, dx. Durch die Substitution \displaystyle u=\sin x erhalten wir \displaystyle du=\cos x\, dx und die Integrationsgrenzen sind daher \displaystyle u=\sin 0=0 und \displaystyle u=\sin(\pi/2)=1. Das Integral ist daher \displaystyle \int_{0}^{\pi/2} \sin^3 x\, \cos x \, dx = \int_{0}^{1} u^3\, du = \Bigl[\, \tfrac{1}{4}u^4\, \Bigr]_{0}^{1} = \tfrac{1}{4} - 0 = \tfrac{1}{4}\, \mbox{. } Das linke Bild zeigt die Funktion sin³ x cos x und die rechte Figur zeigt die Funktion u ³ die wir nach der Substitution erhalten. Durch die Substitution erhalten wir ein neues Intervall.
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