Die Normalparabel y=x² schließt mit der x-Achse un der Geraden x = a mit a > 0 eine endliche Fläche ein. Dieser Flächeninhalt $A_{0}^{a}$ ist mit Hilfe der Streifenmethode zu bestimmen. Breite der Rechtecke: $h=Δx=\frac{a}{n}$ Höhe der Rechtecke: Funktionswerte an den Rechtecksenden, z. B. $f(2h)=4h^{2}$ Für die Obersumme gilt: $S_{n} = h⋅h^{2}+h⋅(2h)^{2}+... +h⋅(nh)^{2}=h^{3}(1^{2}+2^{2}+... +n^{2})$ Für $1^{2}+2^{2}+... +n^{2}=\sum\limits_{ν=1}^{n}ν^2$ gibt es eine Berechnungsformel: $\sum\limits_{ν=1}^{n}ν^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}$ Damit folgt $S_{n}=h^{3}⋅\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}=\frac{a^{3}}{n^{3}}\frac{n^{3}(1+\frac{1}{n})(2+\frac{1}{n})}{6}$ Wer den letzten Schritt nicht versteht, für den gibt es einen Tipp: Klammere bei $(n+1) n$ aus, dann klammere bei $(2n+1) n$ aus. Ich hoffe, dass du jetzt verstehst, warum aus $n$ plötzlich $n^{3}$ wird und aus $(n+1) (1+\frac{1}{n}$) und aus $(2n+1) (2+\frac{1}{n})$. Nun wird mit $n^{3}$ gekürzt: $S_{n}=a^{3}\frac{(1+\frac{1}{n})(2+\frac{1}{n})}{6}$ Daraus folgt für den Grenzwert: $\lim\limits_{n\to\infty}S_{n}=\lim\limits_{n\to\infty}a^{3}\frac{(1+\frac{1}{n})(2+\frac{1}{n})}{6}=\frac{a^{3}}{6}\lim\limits_{n\to\infty}(1+\frac{1}{n})(2+\frac{1}{n})=\frac{a^{3}}{6}⋅1⋅2=\frac{a^{3}}{3}$ Nun folgt die etwas schwierigere Rechnung für die Untersumme: $s_{n} = h⋅h^{2}+h⋅(2h)^{2}+... +h⋅[(n-1)⋅h]^{2}=h^{3}(1^{2}+2^{2}+... Hessischer Bildungsserver. +(n-1)^{2})$ Wir haben es hier mit $\sum\limits_{ν=1}^{n-1}ν^2$ zu tun.
Die Rechtecke der Obersumme gehen dabei über den eigentlichen Graphen hinaus, während die Rechtecke der Untersumme eine Lücke belassen. Diese Rechtecke werden dann alle addiert und ergeben die Fläche der Ober- bzw. Untersumme. Schauen wir uns das Graphisch an: Im Graphen ist die Obersumme grün dargestellt, während die Untersumme über orange dargestellt wird. Wenn wir uns anschauen, wie der Flächeninhalt ursprünglich aussah (die rot eingegrenzte Fläche) und die nun grüne Fläche (wie gesagt, alle Rechtecksflächen werden zusammenaddiert) anschauen, sehen wir, dass der Flächeninhalt über die grünen Rechtecke als zu viel angegeben wird. Integral ober und untersumme. Bei den orangenen Rechtecken hingegen fehlt ein klein wenig und der Flächeninhalt wird als zu klein angegeben werden. Man kann nun den Mittelwert der Ober- und Untersumme bilden und man hat eine gute Näherung des rot markierten Flächeninhalts. In unserem Fall, wo wir eine Fläche unter einer Geraden berechnen ist das sogar exakt. Aber um die Parabel nochmals zu erwähnen: Bereits hier ist der Mittelwert der Ober- und Untersumme nur noch eine Näherung.
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