INT01: Integralrechnung Einführung

Einführung zur Integralrechnung

Nachdem wir uns mit der Differentialrechnung befasst haben, wenden wir uns einem weiteren äußerst wichtigen Gebiet der Mathematik (im Teilgebiet Analysis) zu. Der Integralrechnung. Während uns die Differentialrechnung geholfen hat die Steigungen eines Graphen zu interpretieren, Aussagen über den Verlauf eines Graphen machen zu können, sowie spezielle Punkte zu finden - wie Extrema und Wendepunkte -, können wir mit Hilfe der Integration Flächen oder gar Volumina berechnen. Dabei behalten wir immer im Hinterkopf, dass die Integration die Umkehroperation zur Ableitung ist (weswegen sie oft auch als “Aufleitung” bezeichnet wird, wobei wir bei dem Begriff “Integration” bleiben wollen, da der Begriff “Aufleitung” nicht überall Zustimmung findet). Wie wir im Laufe unseres Kennenlern-Prozesses feststellen werden, ähneln sich deshalb einige der Regeln von Ableitung und Integration.

Wenden wir uns aber zuerst einmal dem Grundbegriff der Integralrechnung zu, in dem wir uns eine Flächenberechnung geometrisch anschauen. Dazu nehmen wir eine Gerade in einem Koordinatensystem, deren Fläche wir innerhalb der Stellen x = 0 und x = 4 berechnen wollen. Die zudem durch die Gerade selbst und die x-Achse begrenzt ist.

Fläche der Gerade

Wir wollen also den roten Flächeninhalt berechnen. Das können wir mit altbewährten Mitteln machen, indem wir die rote Fläche in ein Rechteck und ein Dreieck aufteilen. Das Rechteck hat den Flächeninhalt 1·4 = 4, besteht also aus den vier Kästchen der untersten Reihe. Das Dreieck ergibt sich aus 1/2·2·4 = 4. Beide Flächen zusammenaddiert und wir erkennen unseren Flächeninhalt zu A = 8. Das wir so die eigentliche Fläche so simple in Teilflächen aufteilen können, liegt leider schon bei einer Parabel nicht mehr vor und mit Rechtecken und Dreiecken kommen wir nicht mehr recht weiter. Deshalb arbeitet man mit den Ober- und Untersummen, um eine Näherung des Flächeninhaltes zu erhalten. Hier arbeiten wir ausschließlich mit Rechtecken, denen wir eine feste Breite zuordnen (die allerdings beliebig ist). Die Rechtecke der Obersumme lugen dabei über den eigentlichen Graphen hinaus, während die Rechtecke der Untersumme eine Lücke belassen. Diese Rechtecke werden dann alle addiert und ergeben die Fläche der Ober- bzw. Untersumme. Schauen wir uns das Graphisch an.

Ober- und Untersumme

Im Graphen ist die Obersumme grün dargestellt, während die Untersumme über orange dargestellt wird. Wenn wir uns anschauen, wie der Flächeninhalt ursprünglich aussah (die rot eingegrenzte Fläche) und die nun grüne Fläche (wie gesagt, alle Rechtecksflächen werden zusammenaddiert) anschauen, sehen wir, dass der Flächeninhalt über die grünen Rechtecke als zu viel angegeben wird. Bei den orangenen Rechtecken hingegen fehlt ein klein wenig und der Flächeninhalt wird als zu klein angegeben werden. Man kann nun den Mittelwert der Ober- und Untersumme bilden und man hat eine gute Näherung des roten Flächeninhalts. In unserem Fall, wo wir eine Fläche unter einer Geraden berechnen ist das sogar exakt. Aber um die Parabel nochmals anzubringen: Bereits hier ist der Mittelwert der Ober- und Untersumme nur noch eine Näherung.

Wenden wir uns aber einer anderen Möglichkeit zu, die Näherung zu verbessern (ohne auf den Mittelwert zurückzugreifen). Eine weitere Möglichkeit eine Verbesserung ist über die Verringerung der Breite der Rechtecke zu erreichen. Denn je geringer die Breite, desto weniger Flächeninhalt steht über oder wird vermisst. Das führt uns dann letztlich zur Integralrechnung. Hier wird die Breite der Rechtecke unendlich klein - oder wie man auch sagt “infinitesimal”. Da niemand unendlich lange an einer Aufgabe sitzen möchte und die Rechtecke einzeichnen will um diese dann aufzusummieren, gibt es die sogenannten Integrale, mit deren Hilfe man die Flächeninhalte ohne großen Aufwand bestimmen kann.

Wie man Integrale formal aufschreibt und was die einzelnen Zeichen bedeuten, schauen wir uns bei den “Unbestimmten Integralen” an, bevor wir uns die Integrationsregeln und Lösungsmöglichkeiten anschauen.

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