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Produkte und partielle Integration

Integral von eˣ sin x: Formel, Rechenweg und Beispiele

Das Integral von eˣ sin x ist ½eˣ(sin x − cos x) + C. Zweimal partiell integrieren und auflösen, die Probe, ein Graph und die Formel für e^(ax) sin(bx).

Produkte und partielle Integration Aktualisiert 3 Min. Lesezeit

Auf einen Blick

\int e^x\sin x\,dx = \frac{e^x}{2}\left(\sin x - \cos x\right) + C
Stammfunktion
\frac{1}{2}e^x(\sin x - \cos x) + C
Methode
Zweimal partiell integrieren, dann nach dem Integral auflösen
Gegenstück
\int e^x\cos x\,dx = \frac{1}{2}e^x(\sin x + \cos x) + C
Allgemeine Form
\int e^{ax}\sin bx\,dx = \frac{e^{ax}(a\sin bx - b\cos bx)}{a^2 + b^2} + C
Von 0 bis π
\frac{e^\pi + 1}{2} \approx 12.07
Auf dieser Seite
  1. Graph von eˣ sin x
  2. eˣ sin x Schritt für Schritt integrieren
  3. Probe durch Ableiten
  4. Die allgemeine Formel
  5. Bestimmte Integrale
  6. Rechenbeispiele
  7. Häufige Fehler

Das Integral von e^x\sin x ist \dfrac{1}{2}e^x(\sin x - \cos x) + C. Es ist das berühmte „Kreis“-Integral: Die partielle Integration endet von allein nie, aber nach zwei Schritten kannst du das Ergebnis algebraisch auflösen.

\int e^x\sin x\,dx = \frac{e^x}{2}\left(\sin x - \cos x\right) + C

Graph von eˣ sin x

y = eˣ sin x mit schraffierter Fläche von 0 bis π
Die schraffierte Fläche ist \frac{e^\pi + 1}{2} \approx 12.07. Die Kurve schwingt wie \sin x, aber die Ausschläge werden wegen des Faktors e^x immer größer.

eˣ sin x Schritt für Schritt integrieren

Nenne das Integral I. Verwende partielle Integration, beide Male mit der trigonometrischen Funktion als u.

  1. Erster Durchgang. u = \sin x, dv = e^x\,dx, also du = \cos x\,dx und v = e^x: I = e^x\sin x - \int e^x\cos x\,dx
  2. Zweiter Durchgang, für \int e^x\cos x\,dx. Wieder ist die trigonometrische Funktion u: u = \cos x, dv = e^x\,dx, also du = -\sin x\,dx, v = e^x: \int e^x\cos x\,dx = e^x\cos x + \int e^x\sin x\,dx = e^x\cos x + I
  3. Zurück einsetzen. Das ursprüngliche Integral ist wieder da: I = e^x\sin x - e^x\cos x - I
  4. Nach I auflösen. Addiere I auf beiden Seiten: 2I = e^x(\sin x - \cos x), also I = \frac{e^x}{2}(\sin x - \cos x) + C

Das + C kommt erst am Ende, nach dem Auflösen. Mit u = e^x in beiden Durchgängen funktioniert es genauso. Schief geht es nur beim Wechseln: Nimmst du zuerst u = \sin x und dann u = e^x, macht der zweite Schritt den ersten rückgängig, und du erhältst I = I.

Probe durch Ableiten

\frac{d}{dx}\left[\frac{e^x}{2}(\sin x - \cos x)\right] = \frac{e^x}{2}(\sin x - \cos x) + \frac{e^x}{2}(\cos x + \sin x) = \frac{e^x}{2}\cdot 2\sin x = e^x\sin x

Die allgemeine Formel

Derselbe Kreisschluss in zwei Schritten liefert für e^{ax}\sin bx und e^{ax}\cos bx

\int e^{ax}\sin bx\,dx = \frac{e^{ax}(a\sin bx - b\cos bx)}{a^2 + b^2} + C
\int e^{ax}\cos bx\,dx = \frac{e^{ax}(a\cos bx + b\sin bx)}{a^2 + b^2} + C

Mit a = b = 1 ist der Nenner 2, passend zum Ergebnis oben.

Ein schnellerer Weg mit komplexen Zahlen. Wegen e^{ix} = \cos x + i\sin x ist e^x\sin x der Imaginärteil von e^{(1+i)x}. Integrieren ergibt \frac{e^{(1+i)x}}{1+i} = \frac{(1-i)}{2}e^x(\cos x + i\sin x), und dessen Imaginärteil ist \frac{e^x}{2}(\sin x - \cos x).

Bestimmte Integrale

Von 0 bis π:

\left[\frac{e^x}{2}(\sin x - \cos x)\right]_0^\pi = \frac{e^\pi}{2}(0 + 1) - \frac{1}{2}(0 - 1) = \frac{e^\pi + 1}{2} \approx 12.07

Von 0 bis π/2: \frac{e^{\pi/2}}{2}(1 - 0) - \frac{1}{2}(0 - 1) = \frac{e^{\pi/2} + 1}{2} \approx 2.905.

Gedämpfte Variante. \int_0^\infty e^{-x}\sin x\,dx. Verwende die Formel mit a = -1, b = 1: Die Stammfunktion ist \frac{e^{-x}(-\sin x - \cos x)}{2} und geht im Unendlichen gegen 0. Der Wert ist also 0 - \left(-\frac{1}{2}\right) = \frac{1}{2}.

Rechenbeispiele

Beispiel 1: eˣ cos x. Aus Schritt 2 oben gilt \int e^x\cos x\,dx = e^x\cos x + I. Setze I ein:

\int e^x\cos x\,dx = e^x\cos x + \frac{e^x}{2}(\sin x - \cos x) = \frac{e^x}{2}(\sin x + \cos x) + C

Beispiel 2: verschiedene Raten. \int e^{2x}\sin 3x\,dx = \frac{e^{2x}(2\sin 3x - 3\cos 3x)}{13} + C, mit a^2 + b^2 = 4 + 9 = 13.

Beispiel 3: gedämpfte Schwingung. Die Auslenkung einer Feder ist e^{-t}\cos t. Ihre gesamte orientierte Auslenkung über [0, \infty) ist \int_0^\infty e^{-t}\cos t\,dt = \frac{1}{2}, nach der Kosinus-Formel mit a = -1, b = 1: Die Stammfunktion \frac{e^{-t}(\sin t - \cos t)}{2} geht von -\frac{1}{2} nach 0.

Häufige Fehler

  1. Die Wahl von u zwischen den beiden Durchgängen wechseln. Am Ende steht I = I, was stimmt, aber nichts nützt.
  2. Das Teilen durch 2 vergessen. Nach Schritt 3 hast du 2I, nicht I.
  3. Vorzeichenfehler im zweiten Durchgang. \frac{d}{dx}\cos x = -\sin x, also wird das zweite Integral addiert, nicht subtrahiert.
  4. Erwarten, dass die partielle Integration von selbst endet. Bei x\sin x fällt die Potenz von x weg; bei e^x\sin x fällt nichts weg, also brauchst du den Kreisschluss. Vergleiche das Integral von x sin x.

Die Lektion Mehrfache partielle Integration und LIATE übt diesen Kreisschluss, und der Leitfaden zur partiellen Integration zeigt weitere Beispiele.

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Häufig gestellte Fragen

Was ist das Integral von eˣ sin x?

Es ist \frac{1}{2}e^x(\sin x - \cos x) + C.

Was ist das Integral von eˣ cos x?

Es ist \frac{1}{2}e^x(\sin x + \cos x) + C. Dieselbe Methode in zwei Schritten funktioniert, nur mit umgekehrtem Vorzeichen beim Kosinus-Term.

Warum endet die partielle Integration bei eˣ sin x nicht?

Weder e^x noch \sin x wird beim Ableiten einfacher, also dreht sich die partielle Integration im Kreis. Nach zwei Schritten taucht das ursprüngliche Integral wieder auf, und du löst die Gleichung I = \text{Rest} - I nach I auf.

Was ist das Integral von e^(2x) sin(3x)?

Es ist \frac{e^{2x}(2\sin 3x - 3\cos 3x)}{13} + C, nach der allgemeinen Formel mit a = 2 und b = 3.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

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