Integration durch Substitution
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
Sei ein reelles Intervall, eine stetige Funktion und stetig differenzierbar. Dann ist
Beweis
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
Wir betrachten:
Das Ziel ist es, den Teilterm des Integranden zur Integrationsvariable zu vereinfachen. Dies geschieht durch Anwendung der Substitutionsregel. Dazu multipliziert man zuerst den Integrand mit und ersetzt in einem zweiten Schritt anschließend überall die Integrationsvariable mit . In einem letzten Schritt werden noch die Integrationsgrenzen und durch bzw. ersetzt.
Man bildet also
Wegen der Übersichtlichkeit geht man in der Praxis häufig zu einer neuen Integrationsvariable über z. B. von zu . Dann lautet die Umkehrfunktion und das Differential wird von zu und man erhält den formal gleichwertigen Ausdruck:
Hat man die Stammfunktion gefunden, kann man sie direkt mit den Grenzen und auswerten oder die Stammfunktion zum ursprünglichen Integranden als bilden.
Das gleiche können wir auch rückwärts durchführen und wenden die Substitutionsregel auf
an. Dann muss die Integrationsvariable durch den Term von ersetzt werden und multipliziert anschließend den Integrand mit . Zuletzt wendet man auf die Integrationsgrenzen an.
Substitution eines bestimmten Integrals
Beispiel 1
Berechnung des Integrals
für eine beliebige reelle Zahl : Durch die Substitution erhält man , also , und damit:
- .
Beispiel 2
Berechnung des Integrals
- :
Durch die Substitution erhält man , also , und damit
- .
Es wird also durch ersetzt und durch . Die untere Grenze des Integrals wird dabei in umgewandelt und die obere Grenze in .
Beispiel 3
Für die Berechnung des Integrals
kann man , also substituieren. Daraus ergibt sich . Mit erhält man
- .
Das Ergebnis kann mit partieller Integration oder mit der trigonometrischen Formel
und einer weiteren Substitution berechnet werden. Es ergibt sich
- .
Substitution eines unbestimmten Integrals
Voraussetzungen und Vorgehen
Unter den obigen Voraussetzungen gilt
wobei F eine Stammfunktion von f.
Beispiel 1
Durch quadratische Ergänzung und anschließende Substitution , erhält man
Beispiel 2
Mit der Substitution erhält man
Man beachte, dass die Substitution nur für bzw. nur für streng monoton ist.
Spezialfälle der Substitution
Lineare Substitution
Integrale mit linearen Verkettungen können wie folgt berechnet werden: Ist eine Stammfunktion von , dann gilt
- , falls .
Zum Beispiel gilt
- ,
da und .
Logarithmische Integration
Integrale, bei denen der Integrand ein Bruch ist, dessen Zähler die Ableitung des Nenners ist, können sehr einfach mit Hilfe der logarithmischen Integration gelöst werden:
- .
Das entspricht einem Spezialfall der Substitutionsmethode mit .
Zum Beispiel gilt
- ,
da die Ableitung hat.
Eulersche Substitution
Nach einem Satz von Bernoulli lassen sich alle Integrale des Typs
und
elementar integrieren.
Beispiel:
Durch die Substitution also , , und ergibt sich
- .
Siehe auch
- Partielle Integration für eine weitere wichtige Regel zur Berechnung von Integralen,
Literatur
- Harro Heuser: Lehrbuch der Analysis. Teil 1, 5. Auflage, B. G. Teubner, Stuttgart 1988, ISBN 3-519-42221-2.
- Konrad Königsberger: Analysis 1, Springer, Berlin 1992, ISBN 3-540-55116-6.
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 09.11. 2021