| Schnitte bei festem x | |
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| Die andere Reihenfolge (Fubini), wenn ∬|f| dA endlich ist |
Lektion
Die Theorie — Doppelintegrale
Das Doppelintegral ∬D f(x, y) dA ist das Volumen zwischen einem Bereich D der xy-Ebene und der Fläche z = f(x, y), wobei Teile unterhalb der Ebene negativ zählen. Berechnet wird es als iteriertes Integral: Man integriert nach einer Variablen, während die andere festgehalten wird, und integriert dann das Ergebnis.
Was die einzelnen Symbole bedeuten
A(x)- die Fläche des Schnitts bei festem x, selbst ein Integral in y
g₁(x), g₂(x)- unterer und oberer Rand von D, wenn D entlang x gelesen wird
h₁(y), h₂(y)- linker und rechter Rand von D, wenn D entlang y gelesen wird
Woher die Formel kommt
- Halte x fest. Die Ebene bei diesem x schneidet aus dem Körper einen Schnitt, dessen obere Kante die Kurve y ↦ f(x, y) ist, vom unteren bis zum oberen Rand des Bereichs. Seine Fläche ist ein Integral in y, bei dem x als Konstante behandelt wird, derselbe Handgriff wie beim partiellen Ableiten.
- Summiere die Schnitte. Das Volumen ist das Integral von A(x) entlang x: Volumen durch Querschnitte, nur dass der Querschnitt ein eigenes Integral brauchte.
- Oder schneide andersherum. Lies D entlang y, mit x zwischen einem linken und einem rechten Rand, und integriere zuerst nach x. Der Satz von Fubini sagt, dass beide Reihenfolgen dieselbe Zahl liefern, sobald ∬|f| dA endlich ist, und das gilt für jede stetige Funktion f auf einem abgeschlossenen, beschränkten Bereich.
- Setzt voraus
- f ist stetig auf D, oder zumindest ist ∬|f| dA endlich. Wo ein Rand von D seine Formel wechselt, wie die obere Kante des Dreiecks bei x = 1, wird das Integral dort aufgeteilt.
Aufgaben vollständig gelöst
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Über einem Rechteck, in beiden Reihenfolgen 3 Schritte
Berechne ∬ xy² dA über dem Rechteck 0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1 in beiden Reihenfolgen.
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Bei festem x integrierst du nach y und behandelst x als Konstante:
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Dann entlang x:
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Die andere Reihenfolge, Schnitte bei festem y:
Antwort
2/3 ≈ 0,6667 in beiden Fällen. Über einem Rechteck sind die Grenzen in beiden Reihenfolgen Zahlen, und ein Produkt zerfällt: (∫₀² x dx)(∫₀¹ y² dy) = 2 · 1/3.
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Ein Bereich zwischen zwei Kurven 2 Schritte
Berechne ∬ (x + y) dA über dem Bereich zwischen y = x² und y = x.
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Die Kurven treffen sich bei x = 0 und x = 1, und dazwischen gilt x² ≤ x. Bei festem x reicht der Schnitt also von y = x² bis y = x:
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Integriere von 0 bis 1:
Antwort
3/20 = 0,15.
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Die Reihenfolge umkehren 3 Schritte
Schreibe das Integral aus Aufgabe 2 mit umgekehrter Integrationsreihenfolge und berechne es.
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Lies den Bereich entlang y: Er reicht von y = 0 bis y = 1, und auf der Höhe y ist sein linker Rand die Gerade x = y, sein rechter Rand die Parabel x = √y:
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Das innere Integral, y fest:
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Dann entlang y:
Antwort
Wieder 3/20. Die Parabel, die entlang x gelesen der untere Rand war, ist entlang y gelesen der rechte Rand und heißt dann x = √y.
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Die Reihenfolge wählen, die mit einem Integral auskommt 3 Schritte
Berechne ∬ xy dA über dem Dreieck mit den Ecken (0, 0), (2, 0) und (1, 1).
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Entlang x gelesen ist die obere Kante bis x = 1 die Gerade y = x und danach y = 2 − x, das heißt zwei Integrale. Entlang y gelesen reicht das Dreieck für jedes y vom linken Rand x = y bis zum rechten Rand x = 2 − y. Schneide also bei festem y:
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Das innere Integral:
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Dann entlang y:
Antwort
1/3 ≈ 0,3333. Die andere Reihenfolge liefert aus ihren zwei Teilen 1/8 + 5/24, also ebenfalls 1/3.
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Die Reihenfolge umkehren, um eine Formel zu bekommen 3 Schritte
Berechne ∫₀¹ ∫ₓ¹ e^(y²) dy dx.
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Das innere Integral hat keine elementare Stammfunktion, also kehre die Reihenfolge um. Der Bereich ist 0 ≤ x ≤ y ≤ 1; entlang y gelesen ist das 0 ≤ y ≤ 1 mit 0 ≤ x ≤ y:
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Der Integrand hängt nicht von x ab:
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Substituiere u = y²:
Antwort
(e − 1)/2 ≈ 0,8591.
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Ein Körper, gegeben durch seine Seitenflächen 3 Schritte
Bestimme das Volumen des Tetraeders, das von den drei Koordinatenebenen und der Ebene x + y + z = 1 begrenzt wird.
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Der Körper liegt unter z = 1 − x − y und über dem Teil der xy-Ebene, in dem diese Höhe nicht negativ ist: x ≥ 0, y ≥ 0, x + y ≤ 1. Lies dieses Dreieck entlang x:
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Das innere Integral, x fest:
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Dann entlang x:
Antwort
1/6, passend zu einem Drittel von Grundfläche mal Höhe: (1/3)(1/2)(1).
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Die mittlere Höhe über einem Bereich 3 Schritte
Bestimme den Mittelwert von f(x, y) = x + y über dem Bereich aus Aufgabe 2.
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Der Mittelwert ist das Volumen geteilt durch den Flächeninhalt |D| des Bereichs, also die Höhe einer flachen Platte über D mit demselben Volumen:
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Der Flächeninhalt ist das Doppelintegral von 1:
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Mit dem Volumen 3/20 aus Aufgabe 2:
Antwort
9/10 = 0,9.
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Wenn die beiden Reihenfolgen nicht übereinstimmen 4 Schritte
Zeige, dass die beiden iterierten Integrale von f(x, y) = (x² − y²)/(x² + y²)² über dem Einheitsquadrat verschieden sind, und gib an, welche Voraussetzung des Satzes von Fubini verletzt ist.
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Die Ableitung von y/(x² + y²) nach y ist f, also gilt bei festem x > 0:
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In dieser Reihenfolge also:
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Vertauscht man x und y, ändert f sein Vorzeichen; die andere Reihenfolge ist also dieselbe Rechnung mit umgekehrtem Vorzeichen:
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In Polarkoordinaten ist f = cos 2θ/r². Über der Viertelkreisscheibe vom Radius 1, die im Quadrat liegt, gilt
Antwort
π/4 ≈ 0,7854 in der einen Reihenfolge und −π/4 in der anderen. ∬|f| dA ist unendlich, und genau die Endlichkeit setzt der Satz von Fubini voraus.
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Lernpfad
Anwendungen der Integralrechnung
Quellen (4)
- The method and the two descriptions of a region the page uses: Type I (“between two vertical lines and the graphs of two continuous functions”) and Type II (between two horizontal lines), and Theorem 5.4, Fubini's theorem (strong form), for a function continuous on such a region: G. Strang and E. Herman, Calculus Volume 3, OpenStax (2016), section 5.2, “Double Integrals over General Regions”.
- Insight block 2: Fubini's theorem on successive integration, for f in L¹, that is, with ∬|f| finite; published 1907: G. Fubini, “Sugli integrali multipli”, Atti della Reale Accademia dei Lincei, Rendiconti, Classe di Scienze Fisiche, Matematiche e Naturali (5) 16 (1907), no. 1, 608–614.
- Insight block 3: Euler showed in 1735 that 1 + 1/4 + 1/9 + … = π²/6: J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Leonhard Euler”, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews (last updated September 1998).
- Insight block 3: integrals over the unit square with 1 − xy in the denominator, used to prove ζ(2) and ζ(3) irrational: F. Beukers, “A Note on the Irrationality of ζ(2) and ζ(3)”, Bulletin of the London Mathematical Society 11 (1979), no. 3, 268–272.