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Sätze der Integralrechnung

Hauptsatz der Analysis Teil 1: Ableitung eines Integrals

Hauptsatz Teil 1: Ist f stetig, dann ist die Ableitung des Integrals von a bis x über f(t) dt gleich f(x). Aussage, Graph, Kettenregel und Rechenbeispiele.

Sätze der Integralrechnung Aktualisiert 3 Min. Lesezeit

Auf einen Blick

\frac{d}{dx} \int_a^x f(t)\,dt = f(x)
Voraussetzungen
f ist stetig auf [a, b], und F(x) = \int_a^x f(t)\,dt für x in [a, b]
Aussage
F ist stetig auf [a, b], differenzierbar auf (a, b), und F'(x) = f(x)
In Worten
Die Rate, mit der die aufsummierte Fläche wächst, ist die Höhe der Kurve
Version mit Kettenregel
\frac{d}{dx}\int_a^{g(x)} f(t)\,dt = f(g(x))\,g'(x)
Wichtige Folgerung
Jede stetige Funktion hat eine Stammfunktion
Kurs
Analysis 1
Auf dieser Seite
  1. Aussage des ersten Hauptsatzes
  2. Was der erste Hauptsatz bedeutet
  3. Warum die Stetigkeit wichtig ist
  4. Rechenbeispiele
  5. Häufige Fehler
  6. Warum der erste Hauptsatz wichtig ist

Der Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung, Teil 1 (kurz: erster Hauptsatz) besagt: Baut man eine Funktion auf, indem man die Fläche unter einer stetigen Kurve aufsummiert, dann ist die Ableitung dieser Funktion die Kurve selbst. Er ist die erste Hälfte der Verbindung zwischen Ableitungen und Integralen.

Aussage des ersten Hauptsatzes

Sei f stetig auf [a, b], und definiere die Integralfunktion

F(x) = \int_a^x f(t)\,dt, \qquad a \le x \le b

Dann ist F stetig auf [a, b], differenzierbar auf (a, b), und

F'(x) = f(x)

In Leibniz-Schreibweise: \frac{d}{dx}\int_a^x f(t)\,dt = f(x). Die Variable t ist eine Integrationsvariable ohne eigene Bedeutung, und x ist die obere Grenze.

Was der erste Hauptsatz bedeutet

F(x) ist die orientierte Fläche unter y = f(t) von a bis x. Schiebt man x um ein kleines h nach rechts, kommt ein schmaler Streifen der Breite h und ungefähr der Höhe f(x) hinzu. Also gilt

\frac{F(x + h) - F(x)}{h} \approx \frac{f(x)\,h}{h} = f(x)

und die Näherung wird für h \to 0 exakt. Die Rate, mit der sich die Fläche aufsummiert, ist gleich der Höhe der Kurve.

Hauptsatz Teil 1: Fläche unter y = x² von 0 bis x wächst wie F(x) = x³/3
Die schattierte Fläche bis x = 1.5 ist F(1.5) = \frac{1.5^3}{3} = 1.125. Die gestrichelte Kurve F(x) = \frac{x^3}{3} folgt dieser Fläche, und ihre Steigung in jedem x ist gleich der Höhe x^2.

Warum die Stetigkeit wichtig ist

Sei f(t) = 0 für t < 0 und f(t) = 1 für t \ge 0, und sei F(x) = \int_{-1}^x f(t)\,dt. Die aufsummierte Fläche ist

F(x) = \begin{cases} 0 & x < 0 \\ x & x \ge 0 \end{cases}

und hat bei x = 0 einen Knick. Also existiert F'(0) nicht und ist erst recht nicht gleich f(0) = 1. Das Integral ist weiterhin sinnvoll, aber an der Sprungstelle gilt die Aussage F' = f nicht. Abseits der Sprungstelle, wo f stetig ist, gilt F' = f weiterhin.

Rechenbeispiele

Beispiel 1: die Grundform.

\frac{d}{dx}\int_1^x \sqrt{1 + t^3}\,dt = \sqrt{1 + x^3}

Keine Integration nötig, und mit elementaren Funktionen auch gar nicht möglich. Ersetze t durch x, und du bist fertig.

Beispiel 2: Die obere Grenze ist eine Funktion von x (Kettenregel). Bestimme \frac{d}{dx}\int_0^{x^2}\cos t\,dt.

Schritt 1. Setze u = x^2. Dann ist das Integral G(u) = \int_0^u \cos t\,dt, und nach dem ersten Hauptsatz gilt G'(u) = \cos u.

Schritt 2. Nach der Kettenregel ist \frac{d}{dx}G(x^2) = \cos(x^2)\cdot 2x.

\frac{d}{dx}\int_0^{x^2}\cos t\,dt = 2x\cos(x^2)

Probe: Das Integral ist gleich \sin(x^2), und dessen Ableitung ist 2x\cos(x^2).

Beispiel 3: Beide Grenzen hängen von x ab. Bestimme \frac{d}{dx}\int_x^{2x} e^{t^2}\,dt.

Schritt 1. An einer Konstanten aufteilen: \int_x^{2x} = \int_0^{2x} - \int_0^{x}.

Schritt 2. Jedes Teilintegral mit dem ersten Hauptsatz und der Kettenregel ableiten:

\frac{d}{dx}\int_x^{2x} e^{t^2}\,dt = e^{(2x)^2}\cdot 2 - e^{x^2}\cdot 1 = 2e^{4x^2} - e^{x^2}

Beispiel 4: eine untere Grenze mit x. Vertausche zuerst die Grenzen: \frac{d}{dx}\int_x^5 \sin(t^2)\,dt = \frac{d}{dx}\left(-\int_5^x \sin(t^2)\,dt\right) = -\sin(x^2).

Häufige Fehler

  1. Den Faktor aus der Kettenregel vergessen. \frac{d}{dx}\int_0^{x^2}\cos t\,dt ist 2x\cos(x^2), nicht \cos(x^2).
  2. Auch die untere Grenze einsetzen. Für \int_a^x f(t)\,dt mit konstantem a lautet die Antwort einfach f(x). Die konstante untere Grenze verschiebt F nur um eine Konstante.
  3. Das Vorzeichen vergessen, wenn x in der unteren Grenze steht. Beim Vertauschen der Grenzen kommt ein Minuszeichen hinzu.
  4. Zuerst integrieren wollen, wenn das unmöglich ist. Integranden wie e^{t^2} haben keine elementare Stammfunktion, aber der erste Hauptsatz leitet das Integral trotzdem sofort ab.

Warum der erste Hauptsatz wichtig ist

Der erste Hauptsatz beweist, dass jede stetige Funktion eine Stammfunktion hat, nämlich \int_a^x f(t)\,dt. Genau das sorgt dafür, dass der Hauptsatz Teil 2 funktioniert und bestimmte Integrale zu einer einfachen Subtraktion werden. Außerdem definiert er wichtige Funktionen wie \ln x = \int_1^x \frac{1}{t}\,dt. Die ganze Geschichte beider Teile findest du im Leitfaden zum Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung, und unter Riemann-Summen die Definition des Integrals, auf der er beruht.

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Häufig gestellte Fragen

Was besagt der erste Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung?

Ist f stetig und F(x) = \int_a^x f(t)\,dt, dann gilt F'(x) = f(x). Die Ableitung der Flächenfunktion ist die ursprüngliche Funktion.

Wie leitet man ein Integral mit x in der oberen Grenze ab?

Ersetze t im Integranden durch die obere Grenze. Ist die obere Grenze g(x) statt x, multipliziere zusätzlich mit g'(x). Zum Beispiel gilt \frac{d}{dx}\int_0^{x^2}\cos t\,dt = 2x\cos(x^2).

Was, wenn beide Integrationsgrenzen x enthalten?

Teile das Integral an einer Konstanten auf oder verwende die Formel \frac{d}{dx}\int_{h(x)}^{g(x)} f(t)\,dt = f(g(x))\,g'(x) - f(h(x))\,h'(x).

Was ist der Unterschied zwischen Teil 1 und Teil 2 des Hauptsatzes?

Teil 1 leitet ein Integral ab: \frac{d}{dx}\int_a^x f(t)\,dt = f(x). Teil 2 berechnet ein bestimmtes Integral mit einer Stammfunktion: \int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a).

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

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