Integral von arctan x: Formel, Rechenweg und Beispiele
Das Integral von arctan x ist x arctan x − ½ ln(1+x²) + C. Die partielle Integration Schritt für Schritt, die Probe, bestimmte Integrale und Beispiele.
Integrale mit Arkusfunktionen Aktualisiert 3 Min. Lesezeit
Auf einen Blick
- Stammfunktion
- x\arctan x - \frac{1}{2}\ln(1+x^2) + C
- Methode
- Partielle Integration mit u = \arctan x, dv = dx
- Von 0 bis 1
- \frac{\pi}{4} - \frac{1}{2}\ln 2 \approx 0.439
- Verwandtes Integral
- \int \frac{dx}{1+x^2} = \arctan x + C
Auf dieser Seite
Das Integral von \arctan x ist x\arctan x - \dfrac{1}{2}\ln(1+x^2) + C. Keine Grundregel macht den Arkustangens direkt rückgängig, deshalb geht der übliche Weg über partielle Integration mit einem „versteckten“ Faktor 1.
Graph von arctan x und seiner Stammfunktion
arctan x Schritt für Schritt integrieren
Der Trick: Schreibe \arctan x als \arctan x \cdot 1 und verwende partielle Integration, \int u\,dv = uv - \int v\,du.
- Die Teile wählen. u = \arctan x und dv = dx. Dann ist du = \frac{1}{1+x^2}\,dx und v = x.
- Die Formel anwenden. \int \arctan x\,dx = x\arctan x - \int \frac{x}{1+x^2}\,dx
- Das verbleibende Integral lösen mit w = 1 + x^2, dw = 2x\,dx: \int \frac{x}{1+x^2}\,dx = \frac{1}{2}\int\frac{dw}{w} = \frac{1}{2}\ln(1+x^2) + C
- Zusammensetzen. \int \arctan x\,dx = x\arctan x - \frac{1}{2}\ln(1+x^2) + C
Warum u = \arctan x? Seine Ableitung \frac{1}{1+x^2} ist algebraisch und viel leichter zu handhaben. In der LIATE-Reihenfolge stehen Arkusfunktionen weit vorne, sie eignen sich also gut als u.
Probe durch Ableiten
Die beiden Brüche heben sich genau auf, übrig bleibt \arctan x.
Bestimmte Integrale
Von 0 bis 1:
Von −1 bis 1: \arctan x ist eine ungerade Funktion, also gilt \int_{-1}^{1}\arctan x\,dx = 0. Die Fläche über der Achse rechts hebt die Fläche unter der Achse links auf.
Von 0 bis √3: \sqrt{3}\cdot\frac{\pi}{3} - \frac{1}{2}\ln 4 = \frac{\pi\sqrt{3}}{3} - \ln 2 \approx 1.121.
Rechenbeispiele
Beispiel 1: ein skaliertes Argument. \int \arctan(2x)\,dx. Setze u = 2x, also dx = \frac{du}{2}:
Probe: Die Ableitung ist \arctan 2x + \frac{2x}{1+4x^2} - \frac{1}{4}\cdot\frac{8x}{1+4x^2} = \arctan 2x.
Beispiel 2: x mal arctan x. Wähle u = \arctan x und dv = x\,dx, also v = \frac{x^2}{2}:
Schreibe \frac{x^2}{1+x^2} = 1 - \frac{1}{1+x^2}, was integriert x - \arctan x ergibt. Also
Beispiel 3: arctan der Wurzel. Bei \int\arctan\sqrt{x}\,dx setzt du zuerst x = t^2 und integrierst dann partiell. Das Ergebnis ist (x+1)\arctan\sqrt{x} - \sqrt{x} + C, was du durch Ableiten bestätigen kannst.
Häufige Fehler
- \frac{1}{1+x^2} angeben. Das ist die Ableitung von \arctan x, nicht das Integral. Siehe Ableitung von arctan x.
- arctan mit dem Kehrwert von tan verwechseln. \tan^{-1}x ist die Umkehrfunktion. \frac{1}{\tan x} = \cot x ist eine andere Funktion; siehe Integral von cot x.
- Den Faktor \frac{1}{2} verlieren. Bei \int\frac{x}{1+x^2}\,dx liefert die Substitution \frac{1}{2}\ln(1+x^2), nicht \ln(1+x^2).
- Die Rollen vertauschen. Mit u = 1 und dv = \arctan x\,dx bräuchtest du genau das Integral, das du suchst. Leite immer die Arkusfunktion ab.
Wie man arctan als Ergebnis erhält, statt es zu integrieren, zeigt das Integral von 1/(1+x²). Denselben Trick mit partieller Integration findest du beim Integral von ln x, und der Leitfaden zur partiellen Integration bietet weitere Übung.
Jetzt üben
Partielle Integration
Löse echte Aufgaben zu diesem Thema mit sofortigem Feedback, Tipps und einem Schritt-für-Schritt-Lösungsweg zu jeder Antwort. Kostenlos, ohne Registrierung.
Diese Lektion üben