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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).
In diesem Abschnitt findet ihr die Lösungen der Übungen, Aufgaben, Übungsaufgaben bzw. alte Klausuraufgaben zur Integration durch Substitution. Rechnet diese Aufgaben zunächst selbst durch und schaut danach in unsere Lösungen zur Kontrolle. Integration durch Substitution: Aufgaben Lösung Aufgabe 1: Integriere durch Substitution Links: Zur Mathematik-Übersicht Über den Autor Dennis Rudolph hat Mechatronik mit Schwerpunkt Automatisierungstechnik studiert. Neben seiner Arbeit als Ingenieur baute er und weitere Lernportale auf. Er ist zudem mit Lernkanälen auf Youtube vertreten und an der Börse aktiv. Mehr über Dennis Rudolph lesen. Hat dir dieser Artikel geholfen? Deine Meinung ist uns wichtig. Falls Dir dieser Artikel geholfen oder gefallen hat, Du einen Fehler gefunden hast oder ganz anderer Meinung bist, bitte teil es uns mit! Danke dir!
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.
•Die Integration durch Substitution ist eine Methode zur Berechnung von Stammfunktion und Integralen. •Integration durch Substitution Diese Integrationsmethode beruht auf der Kettenregel der Differentialrechnung. Voraussetzungen Steht in einem Integral die Verknüpfung von zwei Funktionen (evtl. sogar multipliziert mit der Ableitung der inneren Funktion), kann Substitution zur Vereinfachung beitragen. Formel dabei ist u= g(x); du= g`(x)dx Die Substitutionsregeln kann immer dann angewendet werden, wenn man beim Ableiten die Kettenregel verwenden würde. Ziel ist es, ein bestimmtes Integral über eine Standardfunktion zu erhalten, das nach der gängigen Methode berechnet wird: Stammfunktion finden – Integrationsgrenzen einsetzen – Werte voneinander abziehen. Diese Regel bzw Formel ist in folgender Situation anwendbar: • Der Integrand muss das Produkt zweier Funktionen sein. • Von einem Faktor (g 0 (x)) muss man die Stammfunktion g(x) kennen Bei der Integration durch Substitution wird die Integrationsformel von links nach rechts gelesen.
Also haben wir \displaystyle \int f(u) \, du = F(u) + C \textrm{ mit} u(x) \textrm{ statt} u \textrm{ ergibt} \int f(u(x)) \, u^{\, \prime}(x) \, dx = F(u(x)) + C\, \mbox{. } Daher kann man den komplizierteren Integranden \displaystyle f(u(x)) \, u'(x) ersetzen (mit \displaystyle x als Integrationsvariable) mit dem einfacheren Ausdruck \displaystyle f(u) (mit \displaystyle u als Integrationsvariable). Dies wird Substitution genannt, und kann angewendet werden, wenn der Integrand auf der Form \displaystyle f(u(x)) \, u'(x) ist. Hinweis: Die Voraussetzung, um die Integration durch Substitution zu verwenden ist, dass \displaystyle u(x) im Intervall \displaystyle (a, b) differenzierbar ist. Beispiel 1 Berechne das Integral \displaystyle \ \int 2 x\, e^{x^2} \, dx. Wenn wir die Substitution \displaystyle u(x)= x^2 machen, erhalten wir \displaystyle u'(x)= 2x. Durch die Substitution wird \displaystyle e^{x^2}, \displaystyle e^u und \displaystyle u'(x)\, dx, also \displaystyle 2x\, dx wird \displaystyle du \displaystyle \int 2 x\, e^{x^2} \, dx = \int e^{x^2} \cdot 2x \, dx = \int e^u \, du = e^u + C = e^{x^2} + C\, \mbox{. }
Die Integration durch Substitution oder Substitutionsregel ist eine wichtige Methode in der Integralrechnung, um Stammfunktionen und bestimmte Integrale zu berechnen. Durch Einführung einer neuen Integrationsvariablen wird ein Teil des Integranden ersetzt, um das Integral zu vereinfachen und so letztlich auf ein bekanntes oder einfacher handhabbares Integral zurückzuführen. Die Kettenregel aus der Differentialrechnung ist die Grundlage der Substitutionsregel. Ihr Äquivalent für Integrale über mehrdimensionale Funktionen ist der Transformationssatz, der allerdings eine bijektive Substitutionsfunktion voraussetzt. Aussage der Substitutionsregel [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Sei ein reelles Intervall, eine stetige Funktion und stetig differenzierbar. Dann ist Beweis [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Sei eine Stammfunktion von. Nach der Kettenregel gilt für die Ableitung der zusammengesetzten Funktion Durch zweimalige Anwendung des Hauptsatzes der Differential- und Integralrechnung erhält man damit die Substitutionsregel: Anwendung [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Wir betrachten: Das Ziel ist es, den Teilterm des Integranden zur Integrationsvariable zu vereinfachen.
Der Wert des Integrals ändert sich aber nicht. Beispiel 6 Betrachte folgende Rechnungen, bei denen sich ein Fehler eingeschlichen hat. \displaystyle \int_{-\pi/2}^{\pi/2} \frac{\cos x}{\sin^2 x}\, dx = \left[\, \begin{align*} &u = \sin x\\ &du = \cos x \, dx\\ &u(-\pi/2) = -1\\ &u (\pi/2) = 1\end{align*}\, \right] = \int_{-1}^{1} \frac{1}{u^2} \, du = \Bigl[\, -\frac{1}{u}\, \Bigr]_{-1}^{1} = -1 - 1 = -2\, \mbox{. } Die Rechnung muss falsch sein, weil links ein Integral steht mit einem positiven Integrand. Das Integral wird also positiv sein. Auf der rechten Seite steht jedoch eine negative Zahl. Der Fehler bei der Rechnung ist, dass die Substitution angewendet wurde für \displaystyle f(u)=1/u^2 und diese Funktion nicht im ganzen Intervall \displaystyle [-1, 1] definiert ist ( \displaystyle f(0) ist nicht definiert: Division durch Null). Wenn man die Substitutionsregel anwenden möchte, muss die äussere Funktion \displaystyle f stetig sein und die innere Funktion \displaystyle u stetig differenzierbar.