Frage von Jochengernd, 99

Wie behandelt man das dx beim Integrieren?

Guten Abend,

ich möchte gerne wissen, wie ich das dx beim Integrieren behandelt, also, soll es eine Konstante sein, da die ja beim Integrieren wegfällt, oder soll es so etwas wie eine Unbekannte sein, beim Integrieren würde ja 1 rauskommen.

Ich habe nämlich eine Aufgabe gerechnet und du= 1/2 x dx herausbekommen.

Jetzt weiß ich nicht, ob da 1/2 rauskommt oder beides Weg fällt (in dem Fall wäre dx eine Konstante).

Antwort
von Roach5, 38

dx ist weder Konstante noch Variable, das ist etwas schwer zu erklären, wenn du mathematisch wirklich wissen willst, was dahinter steckt, dann lies dich in das Thema "Differentialformen" ein.

Grob gesagt bieten die Differentiale dx, dy, d-irgendwas die Möglichkeit, auf beiden Seiten einer Gleichung abzuleiten, und dabei entstehende Fehler wegzukorrigieren, sodass sozusagen das Integral unabhängig von den von dir gewählten Koordinaten berechnet werden kann. Wenn du die Gleichung f(x) = g(u) hast, dann weißt du, dass f'(x)dx = g'(u)du, das ist ein Hauptergebnis und eine sehr wichtige Sache, um Integrale zu berechnen.

Wenn du dein Koordinatensystem halbierst, dann substituiert man: u = 2x, daraus bekommst du, wie du bereits weißt: du = 2 dx, es sagt also, dass das Integral nach u zwei mal so groß sein wird wie das nach x, wenn du f(x) nach x integrieren willst.

Bei einem Integral sagt das dx, dass deine Funktion nach x integriert wird (wenn du z.B. eine Funktion abhängig von mehreren Variablen hast und nicht klar ist, wonach integriert wird, und wird hier eher als "Zeichen" verwendet als als etwas, was wirklich etwas tut. Trotzdem kannst du damit rechnen, eben so, wie es die Theorie der Differentialformen erlaubt.

Kleines Beispiel: Du möchtest sin(1/2 x) nach x integrieren.

∫sin(1/2 x)dx. Jetzt substituierst du 1/2 x = u, und du bekommst du = 1/2 dx. Du kannst jetzt alles so einsetzen wie du es siehst, denn 1/2 x ist u, und 1/2dx ist du, also ist dx = 2 du, dann berechnest du nach u die Stammfunktion und kannst am ende zurücksubstituieren, also:

∫sin(1/2 x)dx = ∫sin(u)(2 du) = 2∫sin(u)du = -2cos(u) + c = -2cos(1/2 x) + c.

Bei weiteren Fragen bitte kommentieren,

LG

Kommentar von Jochengernd ,

Super, vielen dank

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Mathematik, 4

Wie behandelt man das dx beim Integrieren?

In erster Linie liest man daran ab, über welche Variable man überhaupt integrieren soll. 

…soll es eine Konstante sein, da die ja beim Integrieren wegfällt…

Beides nein. Nein, dx ist keine Konstante und nein, Konstanten fallen bei der Integration auch nicht weg.

Multiplikative Konstanten bleiben erhalten und lassen sich vor das Integral ziehen, etwa für eine lineare Beschleunigung aus dem Stand (v(t₁)=0) durch eine zwischen t₁ und t₂ wirkende Kraft F(t):

(1) v = p/m = ∫_[t₁]^{t₂} dt F(t)/m = (1/m)∫_[t₁]^{t₂} dt F(t)

Additive Konstanten fallen bei der Integration nicht weg, sondern ergeben lineare Terme, Beispiel Bremsweg s zum Stillstand (v(t₂)=0):

(2) s = ∫_[t₁]^{t₂} dt v₀ – a·t = v₀·t – ½·a·t²

Meistens schreibt man »∫_[t₁]^{t₂} … dt« statt »∫_[t₁]^{t₂} dt …«, aber ich bevorzuge die Schulz'sche Notation mit »∫_[t₁]^{t₂} dt« als Operator.

Jedenfalls hege ich den Verdacht, dass Du an dieser Stelle Integration und Differentiation verwechselt hast. Der erhärtet sich durch:

 … oder soll es sowas wie eine Unbekannte sein, beim Integrieren würde ja 1 rauskommen.

Nein. Eine anmultiplizierte Variable, die nicht von x (damit meine ich jetzt wieder die Integrationsvariable, in den Beispielen war es ja t) abhängt, ist für eine Integration eine Konstante, einer, die von x abhängt, ist nur durch partielle Integration beizukommen.

Jetzt aber zur eigentlichen Frage:

Das dx in der Integration ist aber zunächst einmal weder das Eine noch das Andere, wie Roach5 es schon dargelegt hat.

Anschaulich kannst Du Dir dx als ein Δx vorstellen, das »unendlich« klein ist, sodass sich der Funktionswert f(x) zwischen x und x+dx so gut wie nicht ändert.

Du hast also einen Streifen der Breite dx und der Höhe f(x), und der hat dann in etwa die Fläche dx·f(x). Integration bedeutet, diese Streifen aufzusummieren, um dadurch die Gesamtfläche zu erhalten (Riemann-Summe bzw. Riemann-Integral):

(3) ∑_[k=0]^{n} Δx·f(x_[n]) → ∫_[x₁]^{x₂} dx f(x)

Integration von rechts nach links zählt allerdings als »negative Breite«, ebenso wie negative f(x) < 0 als »negative Höhe« zählt.

Diese Idee beruht auf der umgekehrten Annäherung an die Differentiation (Ableitung) über den Differenzenquotienten zum Differentialquotienten:

(4) Δf(x)/Δx → df(x)/dx.

Bei der Substitution, wie sie Roach5 angesprochen hat, werden denn auch - mathematisch nicht ganz sauber - Differentialquotienten wie Brüche behandelt und erweitert:

(5) dx = (dx/du)·du

Antwort
von ELLo1997, 47

Wie eine Konstante auf jeden Fall nicht. Das dx gibt in erster Linie an, nach welcher Variable integriert wird. Wenn damit symbolisch "gerechnet" wird, kann man das dx höchstens als  Variable sehen, da man es auch kürzen kann unter Umständen. Das Ganze ist mathematisch zwar etwas unsauber, funktioniert aber.

Wie lautete denn das Integral, das du gerechnet hast? Ich nehme an, du hast u = x/2 substituiert, daraus ergibt sich dann, dass du = 1/2 x dx  ist. betrachte am besten x, du und dx wie Variablen (die du aber auf keinen Fall aus den Integral ziehen darfst!). Jedoch verstehe ich nicht was du da kürzen möchtest?

Lg

Kommentar von Jochengernd ,

Ok verstehe

Ja genau, hab es so substituiert 

Wenn ich 1/2 dx hab, was mache ich genau mit diesem 1/2 davor?  Fällt es weg oder ist egal was davor steht, da ich z.b. du benutze und eine Zahl vor dem dx kein Einfluss hat ?

Kommentar von ELLo1997 ,

Du formst das Ganze dann auf dx um, sodass du für dx einen Ausdruck in u einsetzen kannst und nach der Substitution irgendein Integral in u dastehen hast, also  ∫(···) du.

Antwort
von Australia23, 17

Ganz simpel gesagt, kannst du das "dx" so lange "ignorieren", bis du von einer "Formulierung" zu einer anderen wechseln (also z.B. kartesisch -> polar) oder du über eine andere Variable integrieren möchtest.

Wenn du bei der Substitution das dx "auswechseln" möchtest, kannst du es "für den Moment" behandeln wie eine Konstante:

I f(u(x))*u'(x) dx -> u(x)=u -> du/dx = u'(x) -> dx = du/u'(x) -> I f(u) du

Hier behandelst du das "dx" und das "du" (nach der Ableitung) ja wie Konstanten.

(Ich hab dir bei einer anderen deiner Fragen noch ein Beispiel zu dem "1/2" hinzugefügt, dachte dort passte es besser.)

Falls du noch nicht weisst, wie man sich die Integration herleitet (also was das dx eigentlich darstellt), empfehle ich dir ein Video zu "Riemann-Summe -> Integral" anzusehen. Mit ein paar Bildern ist das, glaube ich, einfacher zu verstehen, als bloss schriftlich erklärt ^^

Z.B. hier (falls dich Englisch nicht stört):

Kommentar von Jochengernd ,

Ich danke dir 

Kommentar von Australia23 ,
Expertenantwort
von Volens, Community-Experte für Mathematik, 25

Fragst du immer so ein bisschen rund herum? 
Liest du dir die Antworten gar nicht durch?

Ich hatte dir doch aufgeschrieben, dass diese Schreibweise das Differenzieren und Integrieren der Multiplikation ähnlich machen soll.

du      = 1/2 x dx     | /dx 
du/dx = 1/2 x                      Das ist eine Ableitung von u nach x

u'       = x/2                         Daraus mache ich die Stammfunktion (Integral)
u       = x² / 4

Wenn ich es ableite, kommt wieder u' = 1/2 x   
                                                   du/dx = 1/2 x
                                                     du    = 1/2 x dx                        

Kommentar von Volens ,

Und weil das so ist, schreibt man das Differential dx (oder welches gerade gemeint ist) mit unter das Integral

Ⅰ =  1/2 x dx

Kommentar von Jochengernd ,

Danke

Habe es mir durchgelesen, wollte es jedoch genauer wissen 

Kommentar von Volens ,

OK, das ist ja auch legitim. 

Kommentar von Volens ,

Das Problem ist dann nur immer die korrekte Anwendung solcher Definitionen, wo die Multiplikation zur Behandlung gerade nicht ausreicht.

Bei negativen Potenzen bist du es gewöhnt.
Mit der Definition 1/x = x⁻¹ machst du plötzlich die Potenzgesetze auch für Quotienten gültig. Du musst nur daran denken, ab und zu mal die Definition anzuwenden. 

Hier ist es ähnlich. Zwischendurch musst du immer mal wieder eine Umwandlung von y'(x) = dy/dx oder u'(z) = du/dz oder etwas in der Art vornehmen. Die Bearbeitung der Ableitungen dazwischen gestaltet sich wie eine Multiplikation.

Das weiß man vor allem bei mehrfacher Hintereinanderanwendung der Kettenregel zu schätzen.

Antwort
von kneteknoten, 39

Das dx kannst du einfach ignorieren, lass dich davon nicht verwirren ^^

Kommentar von Jochengernd ,

Somit die 1/2 vor dem dx auch, ja?

Kommentar von kneteknoten ,

Also ich erinnere mich gar nicht mehr so gut an Integration, aber soweit ich weiß, musste man doch erst die Stammfunktion ermitteln und dann (b eingefügt) minus (a eingefügt) oder? Und das dx steht ja nur hinter dem (Integral von f(x)). Also schon bei der Stammfunktion musst du nicht mehr das dx hinschreiben, das ist nämlich so weit ich weiß nur eine Art Zeichen, dass es sich um eine Integralfunktion handelt. :D

Kommentar von kneteknoten ,

Okay, gut dass du das nochmal klarstellst :) also ich vermute der Fragesteller ist noch in der Schule, von daher wird das dx wahrscheinlich eher irrelevant für ihn sein.

Kommentar von Volens ,

Man kann dx nur scheinbar ignorieren, wenn man nämlich Integrationsregeln etwas luschig anwendet. Es sieht nämlich manchmal (meistens!) nur so aus, als brauchte man es nicht.

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