Unser Integrand lautet folgendermaßen:. Wenn wir die Funktion als äußere Funktion betrachten, muss die innere Funktion lauten. Ihre Ableitung lautet. Insgesamt haben wir also. Das entspricht fast dem Integranden unseres Integrals, lediglich noch mit dem Faktor 2 multipliziert. Aber diesen Faktor können wir eliminieren, indem wir mit multiplizieren. Es gilt also: Wenn wir nun unsere Variable in umbenennen, erhalten wir genau die linke Seite der Substitutionsgleichung und können sie mit der rechten Seite gleichsetzen:. Setzen wir nun und ein, erhalten wir das vereinfachte Integral:. Integration durch Substitution Beispiel 2 Im zweiten Beispiel wollen wir das folgende Integral betrachten:. Hier erkennt man, dass der Integrand aus der äußeren Funktion mit der inneren Funktion besteht, welche mit der Ableitung der inneren Funktion multipliziert wird. Der Integrand weißt also genau die Struktur der linken Seite der Substitutionsgleichung auf:. Mithilfe der Substitutionsregel erhalten wir also folgende Lösung:.
Integration durch Substitution Wähle einen Term aus, den du durch ersetzen willst: Bestimme durch Ableiten von und anschließendem umformen: Bestimme neue Integralgrenzen, durch einsetzen von in das in Schritt 1. gewählte: und Falls es sich um ein unbestimmtes lntegral (lntegral ohne Grenzen) handelt, diesen Schritt weglassen! Ersetze nun jeden Term durch, jedes durch und (falls vorhanden) die Integrationsgrenzen durch. Das neue Integral sollte nun kein mehr enthalten: Integriere den neuen Ausdruck mithilfe der Integrationsregeln. Falls ein unbestimmtes Integral (Integral ohne Grenzen) vorlag, so musst du noch resubstituieren. Ersetze hierfür jedes wieder durch.
In diesem Kapitel lernen wir die Integration durch Substitution (Substitutionsregel) kennen. Einordnung Um verkettete Funktionen $$ f(x) = g(h(x)) $$ abzuleiten, brauchen wir die Kettenregel: Was beim Ableiten die Kettenregel ist, ist beim Integrieren die Substitutionsregel: Dabei ist $\varphi$ das kleine Phi des griechischen Alphabets. Anleitung zu 1. 1) Wir müssen uns überlegen, welchen Teil der Funktion wir substituieren wollen. Ziel ist es, das Integral auf ein bekanntes oder einfacher handhabbares Integral zurückzuführen. zu 1. 2) In diesem Schritt berechnen wir $\varphi(u)$. Wenn wir uns die Substitutionsregel $$ \int \! f({\color{red}x}) \, \textrm{d}x = \int \! f({\color{red}\varphi(u)}) \cdot \varphi'(u) \, \textrm{d}u $$ etwas genauer anschauen, können wir feststellen, dass gilt: $$ {\fcolorbox{red}{}{$x = \varphi(u)$}} $$ Um $\varphi(u)$ zu berechnen, müssen wir die Gleichung aus dem 1. Schritt nach $x$ auflösen. 3) In diesem Schritt berechnen wir $\varphi'(u)$. 4) Wenn wir uns die Substitutionsregel $$ \int \!
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1a Analysis, Integralrechnung Bestimmtes Integral, Substitutionsregel Ergebnis anzeigen Lsungsweg anzeigen bungsaufgabe Nr. 1b Analysis, Integralrechnung Bestimmtes Integral, Substitutionsregel Ergebnis anzeigen Lsungsweg anzeigen bungsaufgabe Nr. : 0021-2. 3a Analysis, Integralrechnung Substitutionsregel, Unbestimmtes Integral Ergebnis anzeigen Lsungsweg anzeigen bungsaufgabe Nr. : 0022-2. 2 Analysis, Integralrechnung Substitutionsregel, Unbestimmtes Integral Ergebnis anzeigen Lsungsweg anzeigen bungsaufgabe Nr. : 0023-2. : 0024-3.
1 ⋅ d z = 3 x 2 d x 1\cdot\mathrm{dz}=3x^2\mathrm{dx} Hilfsschritt 2 Die Gleichung wird nach d x \mathrm{d}x aufgelöst. d x = d z 3 x 2 \mathrm{dx}=\frac{\mathrm{dz}}{3x^2} (Achtung: Dieser Schritt ist formal nicht einwandfrei und dient nur als Stütze. dx ist keine Variable und d z g ′ ( x) \frac{\mathrm{dz}}{g'\left(x\right)} ist kein Bruch! ) Einsetzen Man setzt den Ausdruck aus Hilfsschritt 2 für d x dx ein. Wenn sich alle x x rauskürzen, ist die Substitution erfolgsversprechend; andernfalls hilft es höchstens, die Gleichung aus dem ersten Schritt nach x x aufzulösen und einzusetzen. ∫ 3 x 2 x 3 + 1 d x = ∫ 3 x 2 z ⋅ d z 3 x 2 \int\frac{3x^2}{x^3+1}\mathrm{dx}\;=\int\frac{3x^2}z\cdot\frac{\mathrm{dz}}{3x^2} Wenn sich alle x x rauskürzen, ist die Substitution erfolgsversprechend; andernfalls hilft es höchstens, die Gleichung aus dem ersten Schritt nach x x aufzulösen und einzusetzen. Meistens deutet dies jedoch darauf hin, dass der Lösungsansatz nicht weiterhilft. = ∫ 1 z d z = [ ln ( z)] =\int\frac1z\mathrm{dz}=\left[\ln(z)\right] Es gibt nun zwei Möglichkeiten fortzufahren.
x \cdot \sqrt{x + 1}^3 \, \textrm{d}x $$ mit $x = u^2 - 1$ $\sqrt{x + 1} = u$ $\textrm{d}x = 2u \, \textrm{d}u$ ergibt $$ F(u) = \int \! (u^2 - 1) \cdot u^3 \cdot 2u \, \textrm{d}u $$ Zusammenrechnen $$ \begin{align*} F(u) &= \int \! (u^2 - 1) \cdot 2u^4 \, \textrm{d}u \\[5px] &= \int \! 2u^6 - 2u^4 \, \textrm{d}u \\[5px] &= 2 \int \! (u^6 - u^4) \, \textrm{d}u \end{align*} $$ Durch Einführung einer neuen Integrationsvariable konnten wir einen Teil des Integranden ersetzen und auf diese Weise das Integral vereinfachen. Integration $$ \begin{align*} F(u) &= 2 \int \! (u^6 - u^4) \, \textrm{d}u \\[5px] &= 2 \cdot \left(\frac{1}{7}u^7 - \frac{1}{5}u^5\right) + C \\[5px] &= \frac{2}{7}u^7 - \frac{2}{5}u^5 + C \end{align*} $$ Rücksubstitution $$ {\fcolorbox{orange}{}{$u = \sqrt{x + 1}$}} $$ in $$ F(u) = \frac{2}{7}{\color{red}u}^7 - \frac{2}{5}{\color{red}u}^5 + C $$ ergibt $$ F(x) = \frac{2}{7}{\color{red}\sqrt{x + 1}}^7 - \frac{2}{5}{\color{red}\sqrt{x + 1}}^5 + C $$ Auf eine weitere Vereinfachung des Terms wird an dieser Stelle verzichtet.
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