Die Integration durch Substitution oder Substitutionsregel ist eine wichtige Methode in der Integralrechnung, um Stammfunktionen und bestimmte Integrale zu berechnen. Durch Einführung einer neuen Integrationsvariablen wird ein Teil des Integranden ersetzt, um das Integral zu vereinfachen und so letztlich auf ein bekanntes oder einfacher handhabbares Integral zurückzuführen. Die Kettenregel aus der Differentialrechnung ist die Grundlage der Substitutionsregel. Integration durch Substitution – Wikipedia. Ihr Äquivalent für Integrale über mehrdimensionale Funktionen ist der Transformationssatz, der allerdings eine bijektive Substitutionsfunktion voraussetzt. Aussage der Substitutionsregel [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Sei ein reelles Intervall, eine stetige Funktion und stetig differenzierbar. Dann ist Beweis [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Sei eine Stammfunktion von. Nach der Kettenregel gilt für die Ableitung der zusammengesetzten Funktion Durch zweimalige Anwendung des Hauptsatzes der Differential- und Integralrechnung erhält man damit die Substitutionsregel: Anwendung [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Wir betrachten: Das Ziel ist es, den Teilterm des Integranden zur Integrationsvariable zu vereinfachen.
Der Wert des Integrals ändert sich aber nicht. Beispiel 6 Betrachte folgende Rechnungen, bei denen sich ein Fehler eingeschlichen hat. \displaystyle \int_{-\pi/2}^{\pi/2} \frac{\cos x}{\sin^2 x}\, dx = \left[\, \begin{align*} &u = \sin x\\ &du = \cos x \, dx\\ &u(-\pi/2) = -1\\ &u (\pi/2) = 1\end{align*}\, \right] = \int_{-1}^{1} \frac{1}{u^2} \, du = \Bigl[\, -\frac{1}{u}\, \Bigr]_{-1}^{1} = -1 - 1 = -2\, \mbox{. } Die Rechnung muss falsch sein, weil links ein Integral steht mit einem positiven Integrand. Das Integral wird also positiv sein. Auf der rechten Seite steht jedoch eine negative Zahl. Der Fehler bei der Rechnung ist, dass die Substitution angewendet wurde für \displaystyle f(u)=1/u^2 und diese Funktion nicht im ganzen Intervall \displaystyle [-1, 1] definiert ist ( \displaystyle f(0) ist nicht definiert: Division durch Null). Aufgaben integration durch substitution examples. Wenn man die Substitutionsregel anwenden möchte, muss die äussere Funktion \displaystyle f stetig sein und die innere Funktion \displaystyle u stetig differenzierbar.
Beispiel 2 [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Berechnung des Integrals: Durch die Substitution erhält man, also, und damit. Es wird also durch ersetzt und durch. Die untere Grenze des Integrals wird dabei in umgewandelt und die obere Grenze in. Beispiel 3 [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Für die Berechnung des Integrals kann man, also substituieren. Daraus ergibt sich. Mit erhält man. Das Ergebnis kann mit partieller Integration oder mit der trigonometrischen Formel und einer weiteren Substitution berechnet werden. Es ergibt sich. Substitution eines unbestimmten Integrals [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Voraussetzungen und Vorgehen [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Unter den obigen Voraussetzungen gilt wobei F eine Stammfunktion von f. Durch quadratische Ergänzung und anschließende Substitution, erhält man Mit der Substitution erhält man Man beachte, dass die Substitution nur für bzw. Aufgaben integration durch substitution theory. nur für streng monoton ist. Spezialfälle der Substitution [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Lineare Substitution [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Integrale mit linearen Verkettungen können wie folgt berechnet werden: Ist eine Stammfunktion von, dann gilt, falls.