Warum Stammfunktionen Flächen liefern
Aus 1.1.4 kennst du das Integral als Grenzwert von Produktsummen, aus 1.2.1 bis 1.2.4 die Stammfunktionen — der Hauptsatz verbindet beides.
- Integralfunktion:\(I_a(x)=\displaystyle\int_a^x f(t)\,\mathrm dt\) — orientierter Flächeninhalt von der festen Grenze \(a\) bis zur beweglichen Grenze \(x\).
- Zuwachs:rückt \(x\) um \(h\) weiter, kommt ein schmaler Streifen hinzu: \(I_a(x+h)-I_a(x)=\Delta A\).
- Fast-Rechteck:für kleines \(h\) ist der Streifen fast ein Rechteck mit Höhe \(f(x)\): \(\Delta A\approx f(x)\cdot h\).
- Grenzwert:\(\dfrac{I_a(x+h)-I_a(x)}{h}\approx f(x)\) wird für \(h\to0\) exakt: \(I_a'(x)=f(x)\) (für stetiges \(f\)).
- Folgerung:\(I_a\) ist eine Stammfunktion von \(f\).
Ziehe \(x\) und schneide den violetten Streifen mit „Streifen umlegen“ heraus. Verkleinere dann \(h\): In der Lupe wird der Streifen zum Rechteck \(f(x)\cdot h\), unten nähert sich die Sekante der grünen Tangente.
Halte fest: Der Zuwachs \(\Delta A\) der Integralfunktion ist fast \(f(x)\cdot h\) — geteilt durch \(h\) bleibt im Grenzwert \(f(x)\), also ist die Steigung von \(I_0\) an jeder Stelle gleich \(f(x)\).
Herleitung:
Hauptsatz: \(I_a'(x)=f(x)\) und \(\displaystyle\int_a^b f(x)\,\mathrm dx=F(b)-F(a)\) für jede Stammfunktion \(F\) von \(f\)
Integrale berechnen
Mit dem Hauptsatz wird aus dem Grenzwert eine kurze Rechnung — ganz ohne Streifen.
- Schreibweise:\(\big[F(x)\big]_a^b=F(b)-F(a)\) — Stammfunktion in eckigen Klammern, Grenzen daneben.
- Schritt 1:Stammfunktion \(F\) mit den Regeln aus 1.2.2 bis 1.2.4 bilden; die Konstante \(C\) weglassen.
- Schritt 2:obere Grenze einsetzen, untere Grenze einsetzen, subtrahieren.
- Ergebnis:orientierter Flächeninhalt — negativ, wenn mehr Fläche unter der \(x\)-Achse liegt.
Rechenweg:
Integral berechnen: \(\displaystyle\int_a^b f(x)\,\mathrm dx=\big[F(x)\big]_a^b=F(b)-F(a)\)
Allgemeine Hinweise
Oben minus unten
Immer \(F(b)-F(a)\) mit der oberen Grenze zuerst. Vertauscht man die Reihenfolge, kippt das Vorzeichen.
Klammer um F(a)
Die untere Grenze wird als Ganzes abgezogen: \(-\big(\tfrac13+1\big)\), nicht \(-\tfrac13+1\).
C darf fehlen
\(\big(F(b)+C\big)-\big(F(a)+C\big)=F(b)-F(a)\) — jede Stammfunktion liefert dasselbe Ergebnis, also die einfachste nehmen.
