Bestimmtes Integral und Stammfunktion

Das Riemann-Integral und die Stammfunktion sind keine unabhängigen Begriffe. Beide hängen wie folgt zusammen.

Satz 15VL (Bestimmtes Integral und Stammfunktion)

Sei f∈R[a,b]f\in R[a,b] riemannintegrierbar und ff besitze auf [a,b][a,b] eine Stammfunktion F:[a,b]→RF: [a,b]\to \R. Dann gilt:
∫abf(x)  dx=F(b)−F(a)\int\limits_a^b f(x)\; dx= F(b)-F(a)
Das bestimmte Integral entspricht also der Differenz der Werte der Stammfunktion an den Integrationsgrenzen. Weitere Schreibweisen: F(x)∣abF(x)\big|_a^b und [F(x)]ab\left[F(x)\right]_a^b
 
 

Beweis

Sei Z={x0,…,xn}Z=\{x_0,\ldots,x_n\} eine beliebige Zerlegung von [a,b][a,b]. Nach dem Mittelwertsatz der Differentialrechnung gibt es ein ξj∈]xj−1,xj[ \xi_j\in ]x_{j-1},x_j[, sodass
F(xj)−F(xj−1)  =  F ′(ξj)⎵=f(ξj)⋅(xj−xj−1)F(x_j)-F(x_{j-1}) \; {=}\; \underbrace{F\, '(\xi_j)}_{=f(\xi_j)}\cdot (x_j-x_{j-1}),
wobei f(ξj)>=mjf(\xi_j)>=m_j und f(ξj)<=Mjf(\xi_j)<=M_j gilt mit Ij:=[xj−1,xj]I_j:=[x_{j-1}, x_j], mj:=inf⁡f(Ij)m_j:=\inf f(I_j) und Mj:=sup⁡f(Ij) M_j:=\sup f(I_j).
⇒  mj∣Ij∣≤F(xj)−F(xj−1)≤Mj∣Ij∣\Rightarrow\; m_j|I_j|\leq F(x_j)-F(x_{j-1})\leq M_j|I_j| ⇒  sf(Z)  ≤∑j=1n(F(xj)−F(xj−1))⎵F(xn)−F(xn−1)+F(xn−1)−F(xn−2)+⋯  ≤Sf(Z)\Rightarrow\; s_f(Z)\;\leq \underbrace{\sum\limits_{j=1}^n (F(x_j)-F(x_{j-1}))}_{\atop{F(x_n)-F(x_{n-1})}{+F(x_{n-1})-F(x_{n-2})+\cdots}}\;\leq S_f(Z) ⇒  sf  ≤  F(b)−F(a)  ≤  Sf=sf\Rightarrow\; s_f\;\leq\; F(b)-F(a)\;\leq\; S_f=s_f wegen f∈R[a,b]f\in R[a,b] ⇒  F(b)−F(a)=Sf=sf\Rightarrow\; F(b)-F(a)=S_f=s_f=∫abf(x)  dx=\int\limits_a^b f(x)\; dx □\qed
StNoInt.png
F(x)F(x) blau und f(x)=F ′(x)f(x)=F\, '(x) rot

Beispiele

Beispiel

Es gibt Funktionen, die Stammfunktionen besitzen, aber nicht integrierbar sind. F(x)={x32sin⁡1x fu¨r x∈]0,1]0fu¨r x=0F(x)=\begin{cases} x^\dfrac{3}{2}\sin\dfrac{1}{x}& \text{ für }x\in ]0,1]\\0 & \text{für }x=0\end{cases} FF ist differenzierbar auf [0,1][0,1]. Die Funktion f:=F′=32x⋅sin⁡1x−1x⋅cos⁡1xf:=F'=\dfrac 3 2{\sqrt x}\cdot\sin\dfrac 1 x - \dfrac 1{\sqrt x}\cdot\cos\dfrac 1x ist auf [0,1][0,1] unbeschränkt und daher nicht integrierbar. Jedoch hat ff eine Stammfunktion, nämlich FF.
NoStFnk.png
ff besitzt keine Stammfunktion

Beispiel

Es gibt Funktionen, die integrierbar sind, aber keine Stammfunktion besitzen.
f(x):={0 fu¨r x∈[−1,0[1fu¨r x∈[0,1]f(x):=\begin{cases} 0& \text{ für }x\in [-1,0[\\ 1& \text{für }x\in [0,1]\end{cases}
ff ist monoton und ist daher nach Satz 16MG integrierbar auf [−1,1][-1,1]. Angenommen es existiert eine Stammfunktion FF zu ff auf [−1,1][-1,1]. ⇒  F´=0\Rightarrow\; F´=0 auf [−1,0[[-1,0[   ⇒  F≡c1\;\Rightarrow\; F\equiv c_1 (Folgerung 16MC) auf [−1,0[[-1,0[ bzw. F´≡1F´\equiv 1 auf [0,1][0,1]   ⇒  F(x)=x+c2\;\Rightarrow\; F(x)=x+c_2 auf [0,1][0,1]. Wäre FF differenzierbar, so wäre FF stetig in 00. ⇒c1=c2\Rightarrow c_1=c_2 und 0=lim⁡x→0−F(x)−F(0)x−0=lim⁡x→0+F(x)−F(0)x−0=F ′(0)=f(0)=10={\lim_{x\to 0-} \dfrac{F(x)-F(0)}{x-0}}=\lim_{x\to 0+} \dfrac{F(x)-F(0)}{x-0}=F\, '(0)=f(0)=1. Widerspruch.

Beispiel

Sei 0<a<b0<a<b, f(x)=1xf(x)=\dfrac{1}{x} ff ist monoton fallend auf [a,b][a,b], daher nach Satz 16MG riemannintegrierbar. Die Logarithmusfunktion F(x):=ln⁡xF(x):=\ln x ist Stammfunktion und FF differenzierbar auf [a,b][a,b] mit F ′=fF \, '=f. Nach Satz 15VL folgt:
∫ab1x dx=ln⁡b−ln⁡a=ln⁡(ba) \int\limits_a^b\dfrac{1}{x}\, dx =\ln b-\ln a=\ln\left(\dfrac{b}{a}\right)

Beispiel

f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x ist auf [0,π2]\left[0, \dfrac{\pi}{2}\right] riemannintegrierbar, da ff dort monoton ist. F(x):=sin⁡xF(x):=\sin x ist Stammfunktion und differenzierbar auf [0,π2]\left[0, \dfrac{\pi}{2}\right] mit F′=fF'=f. Also gilt:
∫0π2cos⁡x dx\int\limits_0^\dfrac{\pi}{2} \cos x \, dx =sin⁡(π2)−sin⁡(0)=1 = \sin\left(\dfrac{\pi}{2}\right)-\sin(0)=1.

Es gibt jedoch noch einen anderen Grund für die hohe Wertschätzung der Mathematik; sie allein bietet den Naturwissenschaften ein gewisses Maß an Sicherheit, das ohne Mathematik nicht erreichbar wäre.

Albert Einstein

Copyright- und Lizenzinformationen: Diese Seite ist urheberrechtlich geschützt und darf ohne Genehmigung des Autors nicht weiterverwendet werden.
Anbieterkеnnzeichnung: Mathеpеdιa von Тhοmas Stеιnfеld  • Dοrfplatz 25  •  17237 Blankеnsее  • Tel.: 01734332309 (Vodafone/D2)  •  Email: cο@maτhepedιa.dе