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Produkte und partielle Integration

Integral von x² eˣ: Formel, Rechenweg und Beispiele

Das Integral von x² eˣ ist (x² − 2x + 2)eˣ + C. Zweimal partielle Integration, das Tabellenverfahren, die Probe, ein Graph und das Muster für xⁿ eˣ.

Produkte und partielle Integration Aktualisiert 3 Min. Lesezeit

Auf einen Blick

\int x^2 e^x\,dx = (x^2 - 2x + 2)e^x + C
Stammfunktion
(x^2 - 2x + 2)e^x + C
Methode
Zweimal partielle Integration oder das Tabellenverfahren
Von 0 bis 1
e - 2 \approx 0.718
Mit e^(−x), 0 bis ∞
\int_0^\infty x^2e^{-x}\,dx = 2
Muster
\int x^3e^x\,dx = (x^3 - 3x^2 + 6x - 6)e^x + C
Auf dieser Seite
  1. Graph von x² eˣ und seiner Stammfunktion
  2. x² eˣ Schritt für Schritt integrieren
  3. Die Abkürzung mit dem Tabellenverfahren
  4. Probe durch Ableiten
  5. Bestimmte Integrale
  6. Das Muster für xⁿ eˣ
  7. Rechenbeispiele
  8. Häufige Fehler

Das Integral von x^2e^x ist (x^2 - 2x + 2)e^x + C. Man braucht zweimal partielle Integration, und es ist das Standardbeispiel für das Tabellenverfahren.

\int x^2e^x\,dx = (x^2 - 2x + 2)e^x + C

Graph von x² eˣ und seiner Stammfunktion

y = x² eˣ und seine Stammfunktion (x² − 2x + 2)eˣ
Die schraffierte Fläche von 0 bis 1 ist e - 2 \approx 0.718. Die gestrichelte Stammfunktion steigt immer, weil x^2e^x \ge 0 für jedes x gilt.

x² eˣ Schritt für Schritt integrieren

Verwende partielle Integration, \int u\,dv = uv - \int v\,du, jedes Mal mit der Potenz von x als u.

  1. Erster Durchgang. u = x^2, dv = e^x\,dx, also du = 2x\,dx und v = e^x: \int x^2e^x\,dx = x^2e^x - 2\int xe^x\,dx
  2. Zweiter Durchgang. Du kennst schon \int xe^x\,dx = (x-1)e^x vom Integral von x eˣ. Sonst verwende noch einmal u = x, dv = e^x\,dx.
  3. Zusammensetzen. x^2e^x - 2(x - 1)e^x + C = (x^2 - 2x + 2)e^x + C

Die Abkürzung mit dem Tabellenverfahren

Wenn ein Faktor durch Ableiten null wird und sich der andere immer wieder leicht integrieren lässt, legst du eine Tabelle an. Leite x^2 in der linken Spalte ab, integriere e^x in der rechten und ordne abwechselnde Vorzeichen zu:

Vorzeichen Ableiten Integrieren
+ x^2 e^x
- 2x e^x
+ 2 e^x
0 e^x

Multipliziere jeden Eintrag links mit dem Eintrag rechts eine Zeile tiefer, mit dem Vorzeichen der linken Zeile:

+x^2e^x - 2xe^x + 2e^x = (x^2 - 2x + 2)e^x

Die Lektion Mehrfache partielle Integration und LIATE übt dieses Verfahren.

Probe durch Ableiten

\frac{d}{dx}\Big[(x^2 - 2x + 2)e^x\Big] = (2x - 2)e^x + (x^2 - 2x + 2)e^x = x^2e^x

Alles außer x^2 hebt sich weg. Eine schöne Merkhilfe: Das Polynom p(x) = x^2 - 2x + 2 erfüllt p + p' = x^2.

Bestimmte Integrale

Von 0 bis 1:

\Big[(x^2 - 2x + 2)e^x\Big]_0^1 = (1)e - (2)(1) = e - 2 \approx 0.718

Von −∞ bis 0: Für x \to -\infty gilt (x^2 - 2x + 2)e^x \to 0, das Integral ist also 2 - 0 = 2.

Mit abklingender Exponentialfunktion. \int x^2e^{-x}\,dx = -(x^2 + 2x + 2)e^{-x} + C, also

\int_0^\infty x^2e^{-x}\,dx = 0 - (-2) = 2 = 2!

Das ist ein Spezialfall des Ergebnisses zur Gammafunktion, \int_0^\infty x^ne^{-x}\,dx = n!. Warum der Grenzwert im Unendlichen 0 ist, erklärt der Leitfaden zu uneigentlichen Integralen.

Das Muster für xⁿ eˣ

Jede weitere Potenz von x fügt der Tabelle eine Zeile hinzu:

Integral Ergebnis
\int e^x\,dx e^x + C
\int xe^x\,dx (x - 1)e^x + C
\int x^2e^x\,dx (x^2 - 2x + 2)e^x + C
\int x^3e^x\,dx (x^3 - 3x^2 + 6x - 6)e^x + C

Das Polynom ist x^n minus seine Ableitung plus seine zweite Ableitung und so weiter, mit abwechselnden Vorzeichen.

Rechenbeispiele

Beispiel 1: eine schnellere Exponentialfunktion. \int x^2e^{2x}\,dx. Beim Tabellenverfahren lautet die rechte Spalte e^{2x}, \frac{1}{2}e^{2x}, \frac{1}{4}e^{2x}, \frac{1}{8}e^{2x}:

\frac{x^2}{2}e^{2x} - \frac{2x}{4}e^{2x} + \frac{2}{8}e^{2x} + C = \left(\frac{x^2}{2} - \frac{x}{2} + \frac{1}{4}\right)e^{2x} + C

Beispiel 2: ein quadratisches Polynom. \int(x^2 + 1)e^x\,dx. Hier ist p = x^2 + 1, und das Muster liefert (p - p' + p'')e^x = (x^2 + 1 - 2x + 2)e^x = (x^2 - 2x + 3)e^x + C.

Beispiel 3: zuerst substituieren. \int x^3e^{x^2}\,dx. Setze w = x^2, dw = 2x\,dx, dann ist das Integral \frac{1}{2}\int we^w\,dw = \frac{1}{2}(x^2 - 1)e^{x^2} + C.

Häufige Fehler

  1. Nach einem Durchgang aufhören. In x^2e^x - 2\int xe^x\,dx steckt noch ein Integral.
  2. Den Faktor 2 verlieren. Der erste Durchgang liefert 2x, und die 2 multipliziert das ganze zweite Ergebnis.
  3. Falsche Vorzeichen in der Tabelle. Die Vorzeichen wechseln +, -, +, beginnend mit der obersten Zeile.
  4. u = e^x wählen. Die Potenz von x steigt dann, statt zu fallen.

Mehr Übung: die Übungsaufgaben zur partiellen Integration.

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Mehrfache partielle Integration und LIATE

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Häufig gestellte Fragen

Was ist das Integral von x² eˣ?

Es ist (x^2 - 2x + 2)e^x + C, ausmultipliziert x^2e^x - 2xe^x + 2e^x + C.

Was ist das Integral von x² e^(−x)?

Es ist -(x^2 + 2x + 2)e^{-x} + C. Von 0 bis \infty ergibt es 2.

Wie oft muss man bei x² eˣ partiell integrieren?

Zweimal. Der erste Durchgang macht aus x^2 ein 2x, der zweite aus 2x eine 2. Danach bleibt nur noch \int e^x\,dx.

Was ist das Integral von x³ eˣ?

Es ist (x^3 - 3x^2 + 6x - 6)e^x + C. Verwende das Tabellenverfahren mit den drei Ableitungen von x^3, die nicht null sind.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

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