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Was ist Partielle Integration?
Die Partielle Integration ist eine Methode in der Mathematik, speziell in der Integralrechnung. Sie wird verwendet, um bestimmte Arten von Integralen zu berechnen, die auf den ersten Blick nicht direkt zu integrieren sind. Diese Methode beruht auf dem Produktintegral-Lehrsatz und kann als das Gegenstück zur Produktregel in der Differenzialrechnung gesehen werden.
Partielle Integration Definition
Die partielle Integration ist definiert durch das Integral über das Produkt von zwei Funktionen und wird mit der Formel \[ \int u(x)v(x) \, dx = u(x)v(x) - \int v(x)u'(x) \, dx \] dargestellt. Hierbei entspricht \(u(x)\) einer zu wählenden Funktion und \(v(x)\) ihrer Ableitung. Das Ziel der partiellen Integration ist es, ein ursprünglich schwieriger zu integrierendes Produkt zweier Funktionen in ein einfacher zu integrierendes Produkt umzuformen.
Partielle Integration einfach erklärt
Angenommen, du möchtest das Integral \( \int x e^x dx \) berechnen. Eine direkte Integration ist nicht möglich, also wählen wir für \(u(x)\) die Funktion \(x\) und für \(v(x)\) die Funktion \(e^x\). Die Ableitung von \(u(x)\) ist gleich \(u'(x) = 1\) und die der Funktion \(e^x\) ist selbige. Setzen wir diese Werte in unsere Formel ein, erhalten wir \[ \int x e^x dx = x e^x - \int e^x dx = x e^x - e^x + C \] wobei \(C\) die Integrationskonstante ist. So kann mit Hilfe der Partiellen Integration das gegebene Integral berechnet werden.
Die Partielle Integration ist ein sehr mächtiges Werkzeug in der Berechnung von Integralen. Sie wird oft in Verbindung mit anderen Methoden der Integralrechnung verwendet, wie beispielsweise der Substitution oder der Integration durch Teile. Es gibt sogar speziell entwickelte Tabellen und Diagramme (sogenannte "Tabular Integration"), die helfen, die partielle Integration auf komplexere Probleme anzuwenden.
Anwendung der partiellen Integration
In der Integralrechnung kommt die Partielle Integration dann zum Einsatz, wenn das zu berechnende Integral ein Produkt von zwei Funktionen darstellt. Das können Funktionen sein, die selbst nicht integrierbar sind, oder auch Produkte, die in eine einfachere Form zur Integration gebracht werden sollen. Besonders bei Produkten von algebraischen und transzendenten Funktionen wird die Methode der Partiellen Integration häufig angewendet.
Partielle Integration Formel
Die allgemeine Formel der Partiellen Integration lautet: \[ \int u(x)\cdot v'(x)\, dx = u(x) \cdot v(x) - \int u'(x) \cdot v(x)\, dx \] Hierbei gilt \(u(x)\) und \(v(x)\) als Funktionen von \(x\), die stetig differenzierbar sind. Mit dieser Formel lässt sich ein Produkt von Funktionen in ein anderes umformen, das einfacher zu integrieren sein könnte.
Nehme an, \(u(x) = x^2\) und \(v'(x) = e^x\). Die Ableitung von \(u(x)\) ist \(u'(x) = 2x\) und das Stammintegral von \(v'(x)\) ist \(v(x) = e^x\). Setzt du diese Werte in die Partielle Integrationsformel ein, erhältst du \[ \int x^2e^x dx = x^2e^x - \int 2x e^x dx \].
Partielle Integration Regel
Um die Methode der Partiellen Integration anzuwenden, gehst du in drei Schritten vor:
- Wähle \(u(x)\) und \(v'(x)\) aus dem gegebenen Produkt. Hierbei gilt zu beachten: Wähle für \(u(x)\) eine Funktion, deren Ableitung "simpler" als die Funktion selbst ist (zum Beispiel Polynome). Wähle für \(v'(x)\) eher Funktionen, deren Stammfunktion einfach zu bilden ist (wie zum Beispiel \(e^x\)).
- Bilde die Ableitung von \(u(x)\) und die Stammfunktion von \(v'(x)\). Diese sind nun als \(u'(x)\) und \(v(x)\) definiert.
- Setze diese Werte in die Partielle Integrationsformel ein und integriere das daraus resultierende einfache Integral.
Doppelte Partielle Integration
Die doppelte Partielle Integration kommt ins Spiel, wenn das Integral, das durch die Anwendung der Partiellen Integration entsteht, erneut als Produkt von zwei Funktionen dasteht. In diesem Fall kommt die Methode der Partiellen Integration erneut zum Einsatz.
Ein Beispiel dafür wäre das Integral \( \int x \cdot e^x dx\). Nach der ersten Anwendung der Partiellen Integration erhältst du \(x \cdot e^x - \int e^x dx\). Da das entstandene Integral \( \int e^x dx\) wieder ein Produkt von zwei Funktionen ist, wendest du erneut die Partielle Integration an und erhältst schließlich als Ergebnis: \(x \cdot e^x - e^x + C\).
Praktische Aufgaben zur partiellen Integration
In der Mathematik ist Übung der Schlüssel zum Erfolg. Das gilt besonders für komplexe Themen wie die Partielle Integration. Das Lösen von verschiedenen Aufgaben zur Partiellen Integration fördert dein Verständnis für die Methode und hilft dir dabei, ein Gespür dafür zu entwickeln, wie du die Formel der Partiellen Integration effizient anwendest.
Partielle Integration Beispiele
Schauen wir uns zunächst einige Beispiele an, bei denen die Partielle Integration zum Einsatz kommt. Dabei beginnen wir mit einfachen Beispielen und steigern uns zu den komplexeren Aufgaben.
Löse das Integral \( \int xe^x dx \):
- Wähle zunächst die Funktionen: \( u(x) = x \) und \( v'(x) = e^x \)
- Bilde die Ableitung \( u'(x) = 1 \) und die Stammfunktion \( v(x) = e^x \)
- Setze all diese in die Formel der Partiellen Integration ein: \( \int xe^x dx = x \cdot e^x - \int e^x dx \)
- Das Integral \( \int e^x dx \) ist nun einfach zu berechnen und das endgültige Resultat ergibt sich zu \( xe^x - e^x + C \)
Partielle Integration Aufgaben
Nun ist es an der Zeit, dass du selbst eine Aufgabe zur Partiellen Integration bearbeitest. Überprüfe dein Verständnis für die Partielle Integration, indem du folgendes Integral löst: \( \int x^2 e^x dx \).
Hier sind die Schritte, die du durchlaufen solltest:
- Wähle die geeigneten Funktionen: \( u(x) \) und \( v'(x) \)
- Bilde die Ableitung von \( u(x) \) und das Integral von \( v'(x) \)
- Setze diese in die Gleichung der Partiellen Integration ein
- Berechne das resultierende Integral und gib das Ergebnis an.
Partielle Integration E-Funktion
Die E-Funktion, auch bekannt als Exponentialfunktion, spielt eine wichtige Rolle in der Mathematik und kommt häufig bei den Aufgaben zur Partiellen Integration vor. Die Einfachheit ihrer Stammfunktion und Ableitung macht sie zu einer idealen Wahl für die Funktion \( v'(x) \) in der Partiellen Integration.
Betrachten wir das Integral \( \int x^3 e^x dx \):
- Du definierst \( u(x) = x^3 \) und \( v'(x) = e^x \)
- Du berechnest \( u'(x) = 3x^2 \) und \( v(x) = e^x \)
- Das setzt du in die Formel \( \int u v' dx = u v - \int u' v dx \) ein und erhältst damit \( \int x^3 e^x dx = x^3 e^x - \int 3x^2 e^x dx \)
- Diese Ausdruck enthält immer noch ein Produkt aus einer Exponentialfunktion und einem Polynom zweiten Grades. Hier könnte erneut die Partielle Integration angewandt werden.
Fortgeschrittene Themen zur partiellen Integration
Wir haben bereits die Grundlagen der Partiellen Integration und einige Anwendungen kennengelernt. Nun du bist bereit, dich mit fortgeschritteneren Themen zu befassen. Dazu gehören die Herleitung der Methode und die Anwendung der Partiellen Integration auf bestimmte Integrale. Die Behandlung dieser Themen wird dein Verständnis der Partiellen Integration vertiefen und dir helfen, selbst komplexe Integrale routiniert zu lösen.
Partielle Integration Herleitung
Die Methode der Partiellen Integration leitet sich vom Leibniz'schen Produktregel für die Differentiation ab. In der Differentialrechnung besagt die Produktregel: \((uv)' = u'v + uv'\). Die linke Seite dieser Gleichung integrieren wir und erhalten \(\int (uv)' dx = \int (u'v + uv') dx\). Auf der rechten Seite können wir das Integral über die Summe als Summe der Integrale schreiben: \(\int (u'v + uv') dx = \int u'v dx + \int uv' dx\). Dies ist die Reihe von Ausdrücken, aus der wir die Formel der Partiellen Integration ableiten können.
Betrachten wir zunächst \(\int uv' dx\). Dieses Integral können wir als \(uv - \int u'v dx\) umschreiben. Ebenso lässt sich \(\int u'v dx\) als \(uv - \int uv' dx\) ausdrücken. Setzen wir diese beiden Ausdrücke in unsere ursprüngliche Gleichung ein, erhalten wir \(\int (uv)' dx = (uv - \int uv' dx) + (uv - \int u'v dx) \). Dies vereinfacht sich zu \(\int (uv)' dx = 2uv - ( \int uv' dx + \int u'v dx)\). Umstellen nach \(\int uv' dx\) ergibt nun die Formel der Partiellen Integration: \( \int uv' dx = \frac{1}{2} \left( 2uv - \int u'v dx - (uv)' dx \right) \).
Partielle Integration bestimmtes Integral
Kommen wir nun zum bestimmten Integral. Ein bestimmtes Integral ist ein Integral, bei dem die Grenzen der Integration angegeben sind. Bei der Berechnung eines bestimmten Integrals unter Verwendung der Partiellen Integration musst du eines beachten: Der neue Teil der Gleichung \(uv\) muss ebenfalls an den Grenzen ausgewertet werden.
Die Formel für die Partielle Integration bei definiten Integralen lautet: \[\int_a^b u(x)v'(x) \, dx = \left[ u(x)v(x) \right]_a^b - \int_a^b u'(x)v(x) \, dx \] wobei \(a\) und \(b\) die untere bzw. obere Grenze der Integration sind. Beachte, dass hier der erste Term der rechten Seite an den Grenzen \(a\) und \(b\) ausgewertet wird.
Als Beispiel mögest du über die Berechnung des Integrals \(\int_0^1 xe^x dx\) nachdenken.
- Zunächst definierst du \(u(x) = x\) und \(v'(x) = e^x\)
- Danach berechnest du \(u'(x) = 1\) und \(v(x)=e^x\)
- Anschließend setzt du diese Werte in die Formel ein und erhältst \(\int_0^1 xe^x dx = [x e^x]_0^1 - \int_0^1 e^x dx\)
- Auswerten der Grenzen im ersten Term ergibt \(e - 0 = e\)
- Das entstandene Integral \(\int_0^1 e^x dx\) integrierst du zu \([e^x]_0^1 = e -1\)
- Zuletzt subtrahierst du das berechnete Integral von \(e\), um das endgültige Ergebnis zu erhalten: \(e - (e - 1) = 1\)
Partielle Integration - Das Wichtigste
- Partielle Integration: Methode in der Integralrechnung, um bestimmte Arten von Integralen zu berechnen. Beruht auf dem Produktintegral-Lehrsatz.
- Definition Partielle Integration: Integral über das Produkt von zwei Funktionen, dargestellt mit der Formel \[ \int u(x)v(x) \, dx = u(x)v(x) - \int v(x)u'(x) \, dx \]
- Formel Partielle Integration: \[ \int u(x)\cdot v'(x)\, dx = u(x) \cdot v(x) - \int u'(x) \cdot v(x)\, dx \]
- Partielle Integration Regel: Drei Schritte: Auswahl von \(u(x)\) und \(v'(x)\), Bilden der Ableitung und der Stammfunktion, Einsetzen in die Partielle Integrationsformel.
- Doppelte Partielle Integration: Anwendung der Partiellen Integration auf das resultierende Integral, wenn dies Produkt von zwei Funktionen ist.
- Anwendung Partielle Integration: Bei Integralen, die ein Produkt von zwei Funktionen darstellen. Insbesondere bei Produkten von algebraischen und transzendenten Funktionen.
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