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.
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 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.
Falls die Funktion g umkehrbar ist, kann man auch vom rechts stehenden Integral ausgehen und die Integrationsvariable z durch einen Funktionsterm g(x) in der neuen Variablen x ersetzen. Ziel der Substitution ist es, den zu integrierenden Ausdruck zu vereinfachen: Der Integrand wird durch eine neue Variable ausgedrückt und umgeformt. Einfacher gesagt; bei der Integration durch Substitution führst du ein unbekanntes Integral auf bekannte Beispiele zurück und kannst somit komplizierte Terme in einem Integral vereinfachen Merke:Du musst die Grenzen nicht ausrechnen, wenn du die Substitution rückgängig machen willst oder wenn du eine Stammfunktion bestimmen willst Beispiel 1 ∫ x*cos(x 2) dx Substitution: u= x 2 dx wird durch du ersetzt! u= x 2 ⇒ du/dx = 2x ⇒ dx= du/2x ⇒ xdx= 1/2 du ∫ x*cos(x 2)dx = 1/2 ∫ cos u du = 1/2 sin u + C Lösung= 1/2* sin(x 2)+ C Info: Bei trigonometrischen Funktionen sollte man die Ableitungen auswendig lernen!!! Beispiel 2 ∫ sin cos 2 x dx u=cosx; u`= -sinx u=cosx ⇒du/dx= -sinx ⇒ sinxdx= -du ∫sinx cos 2 xdx= -∫u 2 du = -u 3 /3 +C Lösung: -1/3 cos 3 x +C
Wir zeigen eine eigenenständige Herleitung dieser Integrationsformel: Wir beginnen mit der normalen Intagrationsformel. Der Integrand \displaystyle f hat die Stammfunktion \displaystyle F und \displaystyle u ist die Integrationsvariable \displaystyle \int f(u) \, du = F(u) + C\, \mbox{. } Wir ersetzen jetzt die Integrationsvariable \displaystyle u durch die Funktion \displaystyle u(x). Dadurch verändert sich \displaystyle f(u) zu \displaystyle f(u(x)) und \displaystyle du zu \displaystyle d u(x). Wir wissen aber eigentlich nicht, was \displaystyle du(x) ist. In der nächsten Zeile tun wir so, als wäre \displaystyle \frac{dx}{dx} =1 wie bei "normalen" Brüchen. \displaystyle du(x) = \frac{dx}{dx} d u(x) = \frac{1}{dx} d u(x) d x = \frac{d}{dx} u(x) \, dx = u^{\, \prime} (x) \, dx Also ist das unbekannte \displaystyle du(x) dasselbe wie das bekannte \displaystyle u^{\, \prime}(x)\, dx: Beim Integrieren mit der Integrationsvariable \displaystyle x wird der Integrand mit \displaystyle u^{\, \prime}(x) multipliziert.
Wir werden nun df und dx einzeln definieren, sodass der Quotient df ÷ dx gleich der Ableitung df/dx ist. Da sowohl als auch f '( x) das selbe ausdrücken, haben wir im ersten Schritt beide gleich gesetzt. Im zweiten Schritt haben wir beide Seiten mit dx multipliziert. Damit haben wir die Definition von df erhalten. Wie man sehen kann, ist das Differential gleich der Ableitung mal dx. Will man statt x nach einer anderen Variablen ableiten, beispielsweise u, so würde man du schreiben. Funktion Substitution Mathematisch gesehen, wird die Substitutionsmethode für ein bestimmtes Integral so definiert: Definition Was sofort auffällt, ist die starke Ähnlichkeit mit der Kettenregel:. In Anlehnung an die Kettenregel kann über Integration per Substitution gesagt werden, dass sie immer dort angewendet wird, wo ein Faktor im Integranden die Ableitung eines anderen Teils des Integranden ist; im Prinzip immer dort, wo man auch die Kettenregel anwenden würde. Ist die Ableitung ein konstanter Faktor, so kann dieser aus dem Integral faktorisiert werden (siehe auch das Beispiel unten).
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