Analysis Beispiele

$\int \frac{1}{4 - 9 x^{2}} d x d x$

Schritt 1

Schreibe den Bruch mithilfe der Teilbruchzerlegung.

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Schritt 1.1

Zerlege den Bruch und multipliziere mit dem gemeinsamen Nenner durch.

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Schritt 1.1.1

Faktorisiere den Bruch.

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Schritt 1.1.1.1

Schreibe $4$ als $2^{2}$ um.

$\frac{1}{2^{2} - 9 x^{2}}$

Schritt 1.1.1.2

Schreibe $9 x^{2}$ als ${(3 x)}^{2}$ um.

$\frac{1}{2^{2} - {(3 x)}^{2}}$

Schritt 1.1.1.3

Da beide Terme perfekte Quadrate sind, faktorisiere durch Anwendung der dritten binomischen Formel, $a^{2} - b^{2} = (a + b) (a - b)$ , mit $a = 2$ und $b = 3 x$ .

$\frac{1}{(2 + 3 x) (2 - (3 x))}$

Schritt 1.1.1.4

Mutltipliziere $3$ mit $- 1$ .

$\frac{1}{(2 + 3 x) (2 - 3 x)}$

Schritt 1.1.2

Bilde für jeden Faktor im Nenner einen neuen Bruch mit dem Faktor als Nenner und einem unbekannten Wert als Zähler. Da der Faktor im Nenner linear ist, setze eine einzelne Variable für den Zähler ein $A$ .

$\frac{A}{2 + 3 x}$

Schritt 1.1.3

$\frac{A}{2 + 3 x} + \frac{B}{2 - 3 x}$

Schritt 1.1.4

Multipliziere jeden Bruch in der Gleichung mit dem Nenner des ursprünglichen Ausdrucks. In diesem Fall ist der Nenner gleich $(2 + 3 x) (2 - 3 x)$ .

$\frac{1 (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{(2 + 3 x) (2 - 3 x)} = \frac{(A) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 + 3 x} + \frac{(B) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 - 3 x}$

Schritt 1.1.5

Kürze den gemeinsamen Faktor von $2 + 3 x$ .

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Schritt 1.1.5.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{1 (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{(2 + 3 x) (2 - 3 x)} = \frac{(A) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 + 3 x} + \frac{(B) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 - 3 x}$

Schritt 1.1.5.2

Forme den Ausdruck um.

$\frac{1 (2 - 3 x)}{2 - 3 x} = \frac{(A) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 + 3 x} + \frac{(B) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 - 3 x}$

Schritt 1.1.6

Kürze den gemeinsamen Faktor von $2 - 3 x$ .

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Schritt 1.1.6.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{1 (2 - 3 x)}{2 - 3 x} = \frac{(A) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 + 3 x} + \frac{(B) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 - 3 x}$

Schritt 1.1.6.2

Forme den Ausdruck um.

$1 = \frac{(A) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 + 3 x} + \frac{(B) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 - 3 x}$

Schritt 1.1.7

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 1.1.7.1

Kürze den gemeinsamen Faktor von $2 + 3 x$ .

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Schritt 1.1.7.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$1 = \frac{A (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 + 3 x} + \frac{(B) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 - 3 x}$

Schritt 1.1.7.1.2

Dividiere $(A) (2 - 3 x)$ durch $1$ .

$1 = (A) (2 - 3 x) + \frac{(B) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 - 3 x}$

Schritt 1.1.7.2

Wende das Distributivgesetz an.

$1 = A \cdot 2 + A (- 3 x) + \frac{(B) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 - 3 x}$

Schritt 1.1.7.3

Bringe $2$ auf die linke Seite von $A$ .

$1 = 2 \cdot A + A (- 3 x) + \frac{(B) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 - 3 x}$

Schritt 1.1.7.4

Schreibe neu unter Anwendung des Kommutativgesetzes der Multiplikation.

$1 = 2 \cdot A - 3 A x + \frac{(B) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 - 3 x}$

Schritt 1.1.7.5

Kürze den gemeinsamen Faktor von $2 - 3 x$ .

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Schritt 1.1.7.5.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$1 = 2 A - 3 A x + \frac{(B) (2 + 3 x) (2 - 3 x)}{2 - 3 x}$

Schritt 1.1.7.5.2

Dividiere $(B) (2 + 3 x)$ durch $1$ .

$1 = 2 A - 3 A x + (B) (2 + 3 x)$

Schritt 1.1.7.6

Wende das Distributivgesetz an.

$1 = 2 A - 3 A x + B \cdot 2 + B (3 x)$

Schritt 1.1.7.7

Bringe $2$ auf die linke Seite von $B$ .

$1 = 2 A - 3 A x + 2 \cdot B + B (3 x)$

Schritt 1.1.7.8

Schreibe neu unter Anwendung des Kommutativgesetzes der Multiplikation.

$1 = 2 A - 3 A x + 2 B + 3 B x$

Schritt 1.1.8

Stelle um.

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Schritt 1.1.8.1

Bewege $A$ .

$1 = 2 A - 3 x A + 2 B + 3 B x$

Schritt 1.1.8.2

Bewege $B$ .

$1 = 2 A - 3 x A + 2 B + 3 x B$

Schritt 1.1.8.3

Bewege $2 B$ .

$1 = 2 A - 3 x A + 3 x B + 2 B$

Schritt 1.1.8.4

Bewege $2 A$ .

$1 = - 3 x A + 3 x B + 2 A + 2 B$

Schritt 1.2

Schreibe Gleichungen für die Teilbruchvariablen und benutze sie, um ein Gleichungssystem aufzustellen.

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Schritt 1.2.1

Erzeuge eine Gleichung für die Variablen der Partialbrüche durch Gleichsetzen der Koeffizienten von $x$ jeder Seite der Gleichung. Damit die Gleichung gilt, müssen äquivalente Koeffizienten auf jeder Seite der Gleichung gleich sein.

$0 = - 3 A + 3 B$

Schritt 1.2.2

Erzeuge eine Gleichung für die Variablen der Partialbrüche durch Gleichsetzen der Koeffizienten der Terme, die $x$ nicht enthalten. Damit die Gleichung gilt, müssen die äquivalenten Koeffizienten auf jeder Seite der Gleichung gleich sein.

$1 = 2 A + 2 B$

Schritt 1.2.3

Stelle das Gleichungssystem auf, um die Koeffizienten der Partialbrüche zu ermitteln.

$0 = - 3 A + 3 B$

$1 = 2 A + 2 B$

$0 = - 3 A + 3 B$

$1 = 2 A + 2 B$

Schritt 1.3

Löse das Gleichungssystem.

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Schritt 1.3.1

Löse in $0 = - 3 A + 3 B$ nach $A$ auf.

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Schritt 1.3.1.1

Schreibe die Gleichung als $- 3 A + 3 B = 0$ um.

$- 3 A + 3 B = 0$

$1 = 2 A + 2 B$

Schritt 1.3.1.2

Subtrahiere $3 B$ von beiden Seiten der Gleichung.

$- 3 A = - 3 B$

$1 = 2 A + 2 B$

Schritt 1.3.1.3

Teile jeden Ausdruck in $- 3 A = - 3 B$ durch $- 3$ und vereinfache.

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Schritt 1.3.1.3.1

Teile jeden Ausdruck in $- 3 A = - 3 B$ durch $- 3$ .

$\frac{- 3 A}{- 3} = \frac{- 3 B}{- 3}$

$1 = 2 A + 2 B$

Schritt 1.3.1.3.2

Vereinfache die linke Seite.

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Schritt 1.3.1.3.2.1

Kürze den gemeinsamen Faktor von $- 3$ .

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Schritt 1.3.1.3.2.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{- 3 A}{- 3} = \frac{- 3 B}{- 3}$

$1 = 2 A + 2 B$

Schritt 1.3.1.3.2.1.2

Dividiere $A$ durch $1$ .

$A = \frac{- 3 B}{- 3}$

$1 = 2 A + 2 B$

$A = \frac{- 3 B}{- 3}$

$1 = 2 A + 2 B$

$A = \frac{- 3 B}{- 3}$

$1 = 2 A + 2 B$

Schritt 1.3.1.3.3

Vereinfache die rechte Seite.

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Schritt 1.3.1.3.3.1

Kürze den gemeinsamen Faktor von $- 3$ .

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Schritt 1.3.1.3.3.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$A = \frac{- 3 B}{- 3}$

$1 = 2 A + 2 B$

Schritt 1.3.1.3.3.1.2

Dividiere $B$ durch $1$ .

$A = B$

$1 = 2 A + 2 B$

$A = B$

$1 = 2 A + 2 B$

$A = B$

$1 = 2 A + 2 B$

$A = B$

$1 = 2 A + 2 B$

$A = B$

$1 = 2 A + 2 B$

Schritt 1.3.2

Ersetze alle Vorkommen von $A$ durch $B$ in jeder Gleichung.

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Schritt 1.3.2.1

Ersetze alle $A$ in $1 = 2 A + 2 B$ durch $B$ .

$1 = 2 (B) + 2 B$

$A = B$

Schritt 1.3.2.2

Vereinfache die rechte Seite.

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Schritt 1.3.2.2.1

Addiere $2 B$ und $2 B$ .

$1 = 4 B$

$A = B$

$1 = 4 B$

$A = B$

$1 = 4 B$

$A = B$

Schritt 1.3.3

Löse in $1 = 4 B$ nach $B$ auf.

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Schritt 1.3.3.1

Schreibe die Gleichung als $4 B = 1$ um.

$4 B = 1$

$A = B$

Schritt 1.3.3.2

Teile jeden Ausdruck in $4 B = 1$ durch $4$ und vereinfache.

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Schritt 1.3.3.2.1

Teile jeden Ausdruck in $4 B = 1$ durch $4$ .

$\frac{4 B}{4} = \frac{1}{4}$

$A = B$

Schritt 1.3.3.2.2

Vereinfache die linke Seite.

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Schritt 1.3.3.2.2.1

Kürze den gemeinsamen Faktor von $4$ .

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Schritt 1.3.3.2.2.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{4 B}{4} = \frac{1}{4}$

$A = B$

Schritt 1.3.3.2.2.1.2

Dividiere $B$ durch $1$ .

$B = \frac{1}{4}$

$A = B$

$B = \frac{1}{4}$

$A = B$

$B = \frac{1}{4}$

$A = B$

$B = \frac{1}{4}$

$A = B$

$B = \frac{1}{4}$

$A = B$

Schritt 1.3.4

Ersetze alle Vorkommen von $B$ durch $\frac{1}{4}$ in jeder Gleichung.

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Schritt 1.3.4.1

Ersetze alle $B$ in $A = B$ durch $\frac{1}{4}$ .

$A = \frac{1}{4}$

$B = \frac{1}{4}$

Schritt 1.3.4.2

Vereinfache die linke Seite.

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Schritt 1.3.4.2.1

Entferne die Klammern.

$A = \frac{1}{4}$

$B = \frac{1}{4}$

$A = \frac{1}{4}$

$B = \frac{1}{4}$

$A = \frac{1}{4}$

$B = \frac{1}{4}$

Schritt 1.3.5

Liste alle Lösungen auf.

$A = \frac{1}{4}, B = \frac{1}{4}$

Schritt 1.4

Ersetze jeden der Teilbruchkoeffizienten in $\frac{A}{2 + 3 x} + \frac{B}{2 - 3 x}$ durch die Werte, die für $A$ und $B$ ermittelt wurden.

$\frac{\frac{1}{4}}{2 + 3 x} + \frac{\frac{1}{4}}{2 - 3 x}$

Schritt 1.5

Vereinfache.

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Schritt 1.5.1

Multipliziere den Zähler mit dem Kehrwert des Nenners.

$\frac{1}{4} \cdot \frac{1}{2 + 3 x} + \frac{\frac{1}{4}}{2 - 3 x}$

Schritt 1.5.2

Mutltipliziere $\frac{1}{4}$ mit $\frac{1}{2 + 3 x}$ .

$\frac{1}{4 (2 + 3 x)} + \frac{\frac{1}{4}}{2 - 3 x}$

Schritt 1.5.3

Multipliziere den Zähler mit dem Kehrwert des Nenners.

$\frac{1}{4 (2 + 3 x)} + \frac{1}{4} \cdot \frac{1}{2 - 3 x}$

Schritt 1.5.4

Mutltipliziere $\frac{1}{4}$ mit $\frac{1}{2 - 3 x}$ .

$\int \frac{1}{4 (2 + 3 x)} + \frac{1}{4 (2 - 3 x)} d x d x$

Schritt 2

Zerlege das einzelne Integral in mehrere Integrale.

$(\int \frac{1}{4 (2 + 3 x)} d x + \int \frac{1}{4 (2 - 3 x)} d x) d x$

Schritt 3

Da $\frac{1}{4}$ konstant bezüglich $x$ ist, ziehe $\frac{1}{4}$ aus dem Integral.

$(\frac{1}{4} \int \frac{1}{2 + 3 x} d x + \int \frac{1}{4 (2 - 3 x)} d x) d x$

Schritt 4

Sei $u_{1} = 2 + 3 x$ . Dann ist $d u_{1} = 3 d x$ , folglich $\frac{1}{3} d u_{1} = d x$ . Forme um unter Verwendung von $u_{1}$ und $d$ $u_{1}$ .

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Schritt 4.1

Es sei $u_{1} = 2 + 3 x$ . Ermittle $\frac{d u_{1}}{d x}$ .

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Schritt 4.1.1

Differenziere $2 + 3 x$ .

$\frac{d}{d x} [2 + 3 x]$

Schritt 4.1.2

Differenziere.

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Schritt 4.1.2.1

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $2 + 3 x$ nach $x$ $\frac{d}{d x} [2] + \frac{d}{d x} [3 x]$ .

$\frac{d}{d x} [2] + \frac{d}{d x} [3 x]$

Schritt 4.1.2.2

Da $2$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $2$ bezüglich $x$ gleich $0$ .

$0 + \frac{d}{d x} [3 x]$

Schritt 4.1.3

Berechne $\frac{d}{d x} [3 x]$ .

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Schritt 4.1.3.1

Da $3$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $3 x$ nach $x$ gleich $3 \frac{d}{d x} [x]$ .

$0 + 3 \frac{d}{d x} [x]$

Schritt 4.1.3.2

Differenziere unter Anwendung der Potenzregel, die besagt, dass $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ gleich $n x^{n - 1}$ ist mit $n = 1$ .

$0 + 3 \cdot 1$

Schritt 4.1.3.3

Mutltipliziere $3$ mit $1$ .

$0 + 3$

Schritt 4.1.4

Addiere $0$ und $3$ .

$3$

Schritt 4.2

Schreibe die Aufgabe mithlfe von $u_{1}$ und $d u_{1}$ neu.

$(\frac{1}{4} \int \frac{1}{u_{1}} \cdot \frac{1}{3} d u_{1} + \int \frac{1}{4 (2 - 3 x)} d x) d x$

Schritt 5

Vereinfache.

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Schritt 5.1

Mutltipliziere $\frac{1}{u_{1}}$ mit $\frac{1}{3}$ .

$(\frac{1}{4} \int \frac{1}{u_{1} \cdot 3} d u_{1} + \int \frac{1}{4 (2 - 3 x)} d x) d x$

Schritt 5.2

Bringe $3$ auf die linke Seite von $u_{1}$ .

$(\frac{1}{4} \int \frac{1}{3 u_{1}} d u_{1} + \int \frac{1}{4 (2 - 3 x)} d x) d x$

Schritt 6

Da $\frac{1}{3}$ konstant bezüglich $u_{1}$ ist, ziehe $\frac{1}{3}$ aus dem Integral.

$(\frac{1}{4} (\frac{1}{3} \int \frac{1}{u_{1}} d u_{1}) + \int \frac{1}{4 (2 - 3 x)} d x) d x$

Schritt 7

Vereinfache.

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Schritt 7.1

Mutltipliziere $\frac{1}{3}$ mit $\frac{1}{4}$ .

$(\frac{1}{3 \cdot 4} \int \frac{1}{u_{1}} d u_{1} + \int \frac{1}{4 (2 - 3 x)} d x) d x$

Schritt 7.2

Mutltipliziere $3$ mit $4$ .

$(\frac{1}{12} \int \frac{1}{u_{1}} d u_{1} + \int \frac{1}{4 (2 - 3 x)} d x) d x$

Schritt 8

Das Integral von $\frac{1}{u_{1}}$ nach $u_{1}$ ist $\ln (| u_{1} |)$ .

$(\frac{1}{12} (\ln (| u_{1} |) + C) + \int \frac{1}{4 (2 - 3 x)} d x) d x$

Schritt 9

Da $\frac{1}{4}$ konstant bezüglich $x$ ist, ziehe $\frac{1}{4}$ aus dem Integral.

$(\frac{1}{12} (\ln (| u_{1} |) + C) + \frac{1}{4} \int \frac{1}{2 - 3 x} d x) d x$

Schritt 10

Sei $u_{2} = 2 - 3 x$ . Dann ist $d u_{2} = - 3 d x$ , folglich $- \frac{1}{3} d u_{2} = d x$ . Forme um unter Verwendung von $u_{2}$ und $d$ $u_{2}$ .

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Schritt 10.1

Es sei $u_{2} = 2 - 3 x$ . Ermittle $\frac{d u_{2}}{d x}$ .

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Schritt 10.1.1

Differenziere $2 - 3 x$ .

$\frac{d}{d x} [2 - 3 x]$

Schritt 10.1.2

Differenziere.

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Schritt 10.1.2.1

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $2 - 3 x$ nach $x$ $\frac{d}{d x} [2] + \frac{d}{d x} [- 3 x]$ .

$\frac{d}{d x} [2] + \frac{d}{d x} [- 3 x]$

Schritt 10.1.2.2

Da $2$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $2$ bezüglich $x$ gleich $0$ .

$0 + \frac{d}{d x} [- 3 x]$

Schritt 10.1.3

Berechne $\frac{d}{d x} [- 3 x]$ .

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Schritt 10.1.3.1

Da $- 3$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $- 3 x$ nach $x$ gleich $- 3 \frac{d}{d x} [x]$ .

$0 - 3 \frac{d}{d x} [x]$

Schritt 10.1.3.2

Differenziere unter Anwendung der Potenzregel, die besagt, dass $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ gleich $n x^{n - 1}$ ist mit $n = 1$ .

$0 - 3 \cdot 1$

Schritt 10.1.3.3

Mutltipliziere $- 3$ mit $1$ .

$0 - 3$

Schritt 10.1.4

Subtrahiere $3$ von $0$ .

$- 3$

Schritt 10.2

Schreibe die Aufgabe mithlfe von $u_{2}$ und $d u_{2}$ neu.

$(\frac{1}{12} (\ln (| u_{1} |) + C) + \frac{1}{4} \int \frac{1}{u_{2}} \cdot \frac{1}{- 3} d u_{2}) d x$

Schritt 11

Vereinfache.

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Schritt 11.1

Ziehe das Minuszeichen vor den Bruch.

$(\frac{1}{12} (\ln (| u_{1} |) + C) + \frac{1}{4} \int \frac{1}{u_{2}} (- \frac{1}{3}) d u_{2}) d x$

Schritt 11.2

Mutltipliziere $\frac{1}{u_{2}}$ mit $\frac{1}{3}$ .

$(\frac{1}{12} (\ln (| u_{1} |) + C) + \frac{1}{4} \int - \frac{1}{u_{2} \cdot 3} d u_{2}) d x$

Schritt 11.3

Bringe $3$ auf die linke Seite von $u_{2}$ .

$(\frac{1}{12} (\ln (| u_{1} |) + C) + \frac{1}{4} \int - \frac{1}{3 u_{2}} d u_{2}) d x$

Schritt 12

Da $- 1$ konstant bezüglich $u_{2}$ ist, ziehe $- 1$ aus dem Integral.

$(\frac{1}{12} (\ln (| u_{1} |) + C) + \frac{1}{4} (- \int \frac{1}{3 u_{2}} d u_{2})) d x$

Schritt 13

Da $\frac{1}{3}$ konstant bezüglich $u_{2}$ ist, ziehe $\frac{1}{3}$ aus dem Integral.

$(\frac{1}{12} (\ln (| u_{1} |) + C) + \frac{1}{4} (- (\frac{1}{3} \int \frac{1}{u_{2}} d u_{2}))) d x$

Schritt 14

Vereinfache.

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Schritt 14.1

Mutltipliziere $\frac{1}{4}$ mit $\frac{1}{3}$ .

$(\frac{1}{12} (\ln (| u_{1} |) + C) - \frac{1}{4 \cdot 3} \int \frac{1}{u_{2}} d u_{2}) d x$

Schritt 14.2

Mutltipliziere $4$ mit $3$ .

$(\frac{1}{12} (\ln (| u_{1} |) + C) - \frac{1}{12} \int \frac{1}{u_{2}} d u_{2}) d x$

Schritt 15

Das Integral von $\frac{1}{u_{2}}$ nach $u_{2}$ ist $\ln (| u_{2} |)$ .

$(\frac{1}{12} (\ln (| u_{1} |) + C) - \frac{1}{12} (\ln (| u_{2} |) + C)) d x$

Schritt 16

Vereinfache.

$(\frac{1}{12} \ln (| u_{1} |) - \frac{1}{12} \ln (| u_{2} |)) d x + C$

Schritt 17

Setze für jede eingesetzte Integrationsvariable neu ein.

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Schritt 17.1

Ersetze alle $u_{1}$ durch $2 + 3 x$ .

$(\frac{1}{12} \ln (| 2 + 3 x |) - \frac{1}{12} \ln (| u_{2} |)) d x + C$

Schritt 17.2

Ersetze alle $u_{2}$ durch $2 - 3 x$ .

$(\frac{1}{12} \ln (| 2 + 3 x |) - \frac{1}{12} \ln (| 2 - 3 x |)) d x + C$