Lernpfad Mathematik Studienkolleg · M-Kurs
2. Semester · Integralrechnung · Thema 1

Das bestimmte Integral

Sie lernen, wie man die Fläche unter einer Kurve mit Rechtecken immer genauer annähert, was das bestimmte Integral bedeutet und warum Flächen unterhalb der -Achse negativ zählen.

1 Definitionen

Den Inhalt eines Rechtecks oder eines Dreiecks können Sie berechnen. Ist ein Rand aber gekrümmt, gibt es keine einfache Formel. Die Idee: Man zerlegt die Fläche in schmale Streifen und ersetzt jeden Streifen durch ein Rechteck. Je schmaler die Streifen sind, desto genauer wird die Näherung.

Definition 1 · Zerlegung, Untersumme und Obersumme

Die Funktion sei auf dem Intervall stetig. Man zerlegt in gleich breite Streifen. Jeder Streifen hat die Breite

Die Teilungspunkte sind für . Über dem -ten Streifen steht ein Rechteck mit der Breite .

  • Ist die Höhe der kleinste Funktionswert von im Streifen, heißt die Summe der Rechtecke Untersumme:
  • Ist die Höhe der größte Funktionswert von im Streifen, heißt die Summe Obersumme:

Solche Summen von Rechtecken heißen Rechtecksummen oder Riemannsummen. Nimmt man als Höhe den Funktionswert in der Mitte des Streifens, erhält man die Mittelpunktsumme.

xy12312340
Untersumme
xy12312340
Obersumme

Die Rechtecke der Untersumme liegen unter dem Graphen, die der Obersumme ragen über ihn hinaus. Für jedes ist die Untersumme deshalb höchstens so groß wie die Fläche, die Obersumme mindestens so groß. Die gesuchte Fläche liegt also zwischen und .

Definition 2 · Das bestimmte Integral

Die Funktion sei auf stetig. Wird die Anzahl der Streifen immer größer (), dann nähern sich die Untersummen und die Obersummen demselben Grenzwert. Dieser Grenzwert heißt bestimmtes Integral von über :

Bezeichnungen: ist die untere Grenze, die obere Grenze, das Integrationsintervall, der Integrand und die Integrationsvariable.

Das Zeichen ist ein langgezogenes S – für „Summe“. Das erinnert an die Breite der Streifen, die immer kleiner wird. Die Animation in der Beispielaufgabe (Abschnitt 3) zeigt, wie sich die Rechtecksummen dem Integral nähern.

Definition 3 · Orientierter Flächeninhalt

Liegt der Graph von unterhalb der -Achse, ist . Die Rechtecke haben dann eine negative Höhe, ihr Produkt ist negativ. Deshalb gilt:

  • Flächenstücke oberhalb der -Achse zählen beim Integral positiv,
  • Flächenstücke unterhalb der -Achse zählen beim Integral negativ.

Das bestimmte Integral ist ein orientierter Flächeninhalt. Für die Flächenstücke in der Abbildung gilt:

Der Flächeninhalt der Fläche zwischen dem Graphen und der -Achse ist dagegen . Er ist nie negativ.

xy1234−1120GfA₁A₂A₃
und liegen oberhalb, liegt unterhalb der -Achse.
Definition 4 · Festlegungen für die Grenzen

Für eine stetige Funktion legt man fest:

Vertauscht man die Grenzen, ändert sich also das Vorzeichen.

Merke
  • Rechtecksummen sind Näherungswerte. Das Integral ist ihr Grenzwert für .
  • Für jedes gilt: .
  • Ist auf , ist das Integral gleich dem Flächeninhalt. Sonst zählen Flächenstücke unterhalb der -Achse negativ.
  • Integrale über aneinandergrenzende Intervalle darf man addieren: .
  • Ein bestimmtes Integral ist eine Zahl. Wie man diese Zahl exakt berechnet, lernen Sie in Thema 2 (Stammfunktion) und Thema 3 (Hauptsatz).

2 Typische Ausdrucksweisen und Darstellungen

Formulierungen in Aufgaben und Texten

FormulierungBedeutung
„Bestimmen Sie das Integral anhand des Graphen.“Den Wert über Flächen am Graphen ermitteln (Rechtecke, Dreiecke, Kästchen) – mit Vorzeichen.
„Bestimmen Sie den Inhalt der Fläche, die der Graph von mit der -Achse einschließt.“Gesucht ist ein Flächeninhalt: Teilflächen einzeln bestimmen und alle positiv addieren.
„Nähern Sie die Fläche durch Rechtecke an.“
„Bestimmen Sie die Untersumme .“
Intervall in gleich breite Streifen zerlegen; Höhe jeweils der kleinste Funktionswert im Streifen.
„Die Zerlegung wird verfeinert.“Die Anzahl der Streifen wird größer, die Streifen werden schmaler.
„Der Graph verläuft oberhalb / unterhalb der -Achse.“Es gilt bzw. .
„Begründen Sie, dass das Integral negativ ist.“Zeigen, dass die Flächenstücke unterhalb der -Achse zusammen größer sind als die oberhalb.
„Schätzen Sie den Wert des Integrals ab.“Einen Näherungswert angeben, z. B. mit Rechtecken oder durch Zählen von Kästchen.

Schreibweisen

SchreibweiseGelesen / Bedeutung
„Integral von bis über von d“
„Delta “: Breite eines Streifens
,  Untersumme und Obersumme mit Streifen, z. B. „U vier“
„Limes von für gegen unendlich“: der Grenzwert
Die Integrationsvariable heißt hier . Der Wert hängt nicht vom Namen der Variablen ab: .

Bedeutung im Sachzusammenhang

Ein Rechteck hat den Inhalt „Breite mal Höhe“. Deshalb hat ein Integral die Einheit Einheit der -Achse mal Einheit der -Achse.

-Achse-AchseIntegral
Zeit in hInfusionsrate in Volumen in mL
Zeit in sAtemstrom in Luftvolumen in L
Zeit in hKonzentration in (AUC)
Sprachliche Stolpersteine
  • Integral und Flächeninhalt sind nicht dasselbe: Ein Integral kann negativ oder sein, ein Flächeninhalt nie.
  • „Ober-“ in Obersumme meint die größere Summe, nicht „oberhalb der -Achse“.
  • Das bestimmte Integral ist eine Zahl, keine Funktion.
  • gehört zum Integral. Es zeigt, nach welcher Variablen integriert wird.
  • die Grenze (Nomen) – „untere Grenze“, „obere Grenze“; begrenzen (Verb) – „Die Fläche wird von der -Achse begrenzt.“

3 Beispielaufgabe mit Musterlösung

Aufgabe

Gegeben ist die Funktion mit auf dem Intervall .

  1. Berechnen Sie die Untersumme und die Obersumme .
  2. Untersuchen Sie mit der Animation, wie sich und verändern, wenn größer wird. Geben Sie den Wert des Integrals an.
  3. Gegeben ist außerdem . Bestimmen Sie und den Inhalt der Fläche zwischen dem Graphen von und der -Achse über .

Lösung zu a)

1. Allgemeiner Ansatz. Streifenbreite . Der Graph von steigt auf . Deshalb liegt der kleinste Funktionswert jedes Streifens am linken Rand, der größte am rechten Rand:

2. Einsetzen. : , Teilungspunkte mit den Funktionswerten

Also gilt . Diese Näherung ist noch sehr grob.

Lösung zu b)

Stellen Sie mit dem Regler verschiedene Werte für ein oder starten Sie die Animation. Wechseln Sie zwischen Untersumme, Obersumme und Mittelpunktsumme.

xy12312340Gf
Rechtecksummen für über

Beobachtung: Mit wachsendem werden die Untersummen größer und die Obersummen kleiner. Der Unterschied wird beliebig klein. Hier gilt sogar

Verdoppelt man , halbiert sich der Unterschied.

Ergebnis: Beide Folgen nähern sich dem Wert . Also ist

Die Mittelpunktsumme liegt schon für kleine sehr nah an . Wie man den Wert exakt berechnet, ohne Rechtecke zu addieren, lernen Sie in Thema 3.

Lösung zu c)

1. Allgemein: Integral = Flächen oberhalb der -Achse minus Flächen unterhalb der -Achse. Der Flächeninhalt ist die Summe aller Teilflächen.

2. Nullstelle und Teilflächen: . Auf liegt der Graph unterhalb, auf oberhalb der -Achse. Beide Teilflächen sind Dreiecke:

3. Einsetzen:

xy123−1120Gg
Rechtecksummen für : Rechtecke unterhalb der -Achse zählen negativ (rot).

Bei einer linearen Funktion ist die Mittelpunktsumme für jedes genau : In jedem Streifen gleichen sich die Dreiecke über und unter dem Rechteck aus. Prüfen Sie das in der Animation.

TeilErgebnis
a) Rechtecksummen mit ,  
b) Grenzwert
c) orientierter Flächeninhalt
c) Flächeninhalt

4 Übungen

In diesem Thema rechnen Sie noch nicht mit Formeln: Lesen Sie Werte am Graphen ab, vergleichen Sie und begründen Sie. Tragen Sie Ihre Ergebnisse ein und klicken Sie auf „Eingaben prüfen“. Grün heißt richtig, Rot: noch nicht richtig. Negative Zahlen mit Minus (-5).

Aufgabe 1 Integrale am Graphen ablesen

Grundlagen

Der Graph von besteht aus Strecken. Bestimmen Sie die Integrale anhand des Graphen (Rechtecke und Dreiecke).

xy12345678−3−2−1120Gf
Graph von auf
  1. Inhalt der Fläche zwischen dem Graphen und der -Achse über :

Aufgabe 2 Vorzeichen und Vergleiche

Verständnis

Die Abbildung zeigt den Graphen einer Funktion mit den Nullstellen , und . Entscheiden Sie anhand des Graphen, welches Zeichen (, , ) richtig ist. Begründen Sie in Ihren Notizen.

xy−3−2−1123−3−2−112340Gf
Graph von
  1. Für die Untersumme und die Obersumme von über gilt:

Aufgabe 3 Wahr oder falsch?

Wahr/Falsch

Die Funktion ist stetig. Entscheiden Sie, ob die Aussage wahr oder falsch ist. Begründen Sie Ihre Entscheidung in Ihren Notizen und vergleichen Sie mit der Lösung.

  1. Ist auf , dann ist der Inhalt der Fläche zwischen dem Graphen und der -Achse.
  2. Ein bestimmtes Integral ist niemals negativ.
  3. Ist , dann gilt für alle in .
  4. Für jede Anzahl von Streifen gilt .
  5. Verdoppelt man alle Funktionswerte von , dann verdoppelt sich auch das Integral .

5 Das Wichtigste auf einen Blick

BegriffBedeutung
Streifenbreite
Untersumme / Obersumme Summe von Rechtecken mit dem kleinsten bzw. größten Funktionswert im Streifen als Höhe
bestimmtes Integral
orientierter FlächeninhaltFlächen oberhalb der -Achse positiv, unterhalb negativ
FlächeninhaltSumme der Inhalte aller Teilflächen, nie negativ
Grenzen,  
Vorgehen: Integral am Graphen bestimmen
  1. Nullstellen im Intervall suchen: Dort wechselt der Graph die Seite der -Achse.
  2. Die Fläche in Teilflächen zerlegen (Rechtecke, Dreiecke) und deren Inhalte bestimmen.
  3. Teilflächen oberhalb der -Achse mit , unterhalb mit addieren: Das ist das Integral.
  4. Für den Flächeninhalt dagegen alle Teilflächen mit addieren.
Typische Fehler
  • Integral und Flächeninhalt verwechselt: Ein Integral von heißt nicht, dass keine Fläche da ist.
  • Flächen unterhalb der -Achse positiv gezählt, obwohl das Integral gesucht ist.
  • Untersumme gebildet mit dem Wert am linken Rand, obwohl der Graph fällt: Die Höhe ist immer der kleinste Wert im Streifen.
  • Vorzeichen beim Vertauschen der Grenzen vergessen.
  • Rechtecksumme mit dem Integral verwechselt: und sind nur Näherungswerte.

Fachwortschatz

Streifen · Zerlegung · Untersumme · Obersumme · Rechtecksumme / Riemannsumme · Grenzwert · bestimmtes Integral · untere / obere Grenze · Integrationsintervall · Integrand · Integrationsvariable · orientierter Flächeninhalt · Flächeninhalt

Ausblick: Integrale über Rechtecksummen zu berechnen, ist mühsam. Im nächsten Thema lernen Sie Stammfunktionen kennen. Mit ihnen berechnen Sie Integrale in Thema 3 exakt und schnell.