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  6. Bestimmtes Integral als Funktion der oberen Grenze

Bestimmtes Integral als Funktion der oberen Grenze

Der Wert eines bestimmten Integrals hängt von der Integrandenfunktion und den Integrationsgrenzen ab. Bei gegebener Integrandenfunktion können sich Untersuchungen am bestimmten Integral auf die Überprüfung des Einflusses von Veränderungen der Integrationsgrenzen beschränken.

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Lässt man überdies bei der Berechnung von
∫ a b f ( x )   d x
die untere Grenze a fest und verändert allein die obere Grenze b, so erhält man für jede Zahl b (b > a) eine eindeutig bestimmte Zahl.

Es entsteht eine Menge geordneter Paare
( b   ; ∫ a b f ( x )   d x ) ,
die eine Funktion Φ ( b ) ist.

Mit anderen Worten: Das bestimmte Integral
∫ a b f ( x )   d x
ist bei fester unterer Grenze a eine Funktion der oberen Integrationsgrenze.

Da es üblich ist, das Argument einer Funktion mit x (statt hier mit b) zu bezeichnen, wählen wir für die Integrationsvariable eine andere Bezeichnung, z.B. t (statt x), und erhalten
Φ ( x ) = ∫ a x f ( t )   d t   .

  • Definition: Gegeben sei eine Funktion f. Die Funktion Φ , die jedem x den Wert des Integrals
    ∫ a x f ( t )   d t  
    zuordnet, heißt Integralfunktion von f mit der unteren Grenze a. Der Definitionsbereich der Integralfunktion ist die Menge aller x, für die das Integral
    ∫ a x f ( t )   d t  
    existiert. Man beachte den Unterschied zwischen den Begriffen Integralfunktion und Integrandenfunktion:
    Φ ( x ) = ∫ a x f ( t )   d t  
    ist die Integralfunktion, f(t) die Integrandenfunktion (der Integrand).

Bildet man die Ableitung der Integralfunktion, so erhält man den Integranden. Die Integralfunktion Φ ist also eine Stammfunktion des Integranden f.

  • Satz: Für eine im Intervall [a; b] stetige Funktion f ist die Funktion Φ mit
    Φ ( x ) = ∫ a x f ( t )   d t  
    eine Stammfunktion von f im Intervall [a; b].

Da die Menge aller Stammfunktionen einer gegebenen Funktion f das unbestimmte Integral dieser Funktion ist, stellt dieser Satz einen Zusammenhang ziwschen bestimmtem und unbestimmtem Integral her.

Beweis des Satzes:
Es seien f eine beliebige, im Intervall [a; b] stetige Funktion und Φ die Funktion mit
Φ ( x ) = ∫ a x f ( t )   d t   .

1. Schritt: Wenn man zeigen will, dass Φ eine Stammfunktion von f ist, so muss man nachweisen, dass Φ ' ( x ) = f ( x ) für alle x ∈ [ a   ;     b ] gilt.

Es wird zu diesem Zweck zunächst der Differenzenquotient von Φ gebildet:
F ü r         h ≠ 0         u n d         ( x + h ) ∈ [ a   ;     b ]         i s t Φ ( x + h ) − Φ ( x ) h = ∫ a x + h f ( t )   d t     −     ∫ a x f ( t )   d t h     .

Nun gilt
∫ a x f ( t )   d t + ∫ x x + h f ( t )   d t = ∫ a x + h f ( t )   d t ,         a l s o         ∫ a x + h f ( t )   d t − ∫ a x f ( t )   d t = ∫ x x + h f ( t )   d t   .

Deshalb folgt für den obigen Differenzenquotienten:
Φ ( x + h ) − Φ ( x ) h = 1 h     ∫ x x + h f ( t )   d t

2. Schritt: Wir schätzen den Differenzenquotienten nach oben ab
(Fall h > 0):

Da f eine stetige Funktion ist, existieren im Intervall [ x   ;     x + h ] ein kleinster Funktionswert f ( x ¯ ) und ein größter Funktionswert f ( x ¯ ) . Nach der Definition des bestimmten Integrals gilt dann
f ( x ¯ )     ⋅ h     ≤ ∫ x x   +   h f ( t )   d t       ≤     f ( x ¯ )     ⋅ h   ,           a l s o             f ( x ¯ )     ≤     1 h     ∫ x x   +   h f ( t )   d t       ≤     f ( x ¯ ) .

3. Schritt: Wir berechnen den Grenzwert des Differenzenquotienten für h → 0 :

Aus obiger Ungleichung folgt:
lim h → 0 f ( x ¯ )     ≤     lim h   →   0     1 h     ∫ x x   +   h f ( t )   d t       ≤     lim h   →   0 f ( x ¯ ) (*)

Da f stetig ist, gilt lim h → 0 f ( x ¯ )     =   lim h   →   0 f ( x ¯ ) = f ( x ) .

Somit ergibt sich aus der Ungleichung (*):
lim h   →   0     Φ ( x + h ) − Φ ( x ) h = lim h   →   0     1 h     ∫ x x + h f ( t )   d t = f ( x )

Zum gleichen Ergebnis gelangt man für den Fall h < 0.
Damit ist gezeigt:
Φ ' ( x ) = f ( x )
w. z. b. w.

Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Bestimmtes Integral als Funktion der oberen Grenze." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/mathematik-abitur/artikel/bestimmtes-integral-als-funktion-der-oberen-grenze (Abgerufen: 20. May 2025, 12:54 UTC)

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