Analysis Beispiele

$\int_{0}^{1} \frac{1}{1 - x^{2}} d x$

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 $1$ als $1^{2}$ um.

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

Schritt 1.1.1.2

Da beide Terme perfekte Quadrate sind, faktorisiere durch Anwendung der dritten binomischen Formel, $a^{2} - b^{2} = (a + b) (a - b)$ , mit $a = 1$ und $b = x$ .

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

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 $A$ .

$\frac{A}{1 + x}$

Schritt 1.1.3

$\frac{A}{1 + x} + \frac{B}{1 - x}$

Schritt 1.1.4

Multipliziere jeden Bruch in der Gleichung mit dem Nenner des ursprünglichen Ausdrucks. In diesem Fall ist der Nenner gleich $(1 + x) (1 - x)$ .

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

Schritt 1.1.5

Kürze den gemeinsamen Faktor von $1 + x$ .

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Schritt 1.1.5.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

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

Schritt 1.1.5.2

Forme den Ausdruck um.

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

Schritt 1.1.6

Kürze den gemeinsamen Faktor von $1 - x$ .

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Schritt 1.1.6.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

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

Schritt 1.1.6.2

Forme den Ausdruck um.

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

Schritt 1.1.7

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 1.1.7.1

Kürze den gemeinsamen Faktor von $1 + x$ .

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Schritt 1.1.7.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

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

Schritt 1.1.7.1.2

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

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

Schritt 1.1.7.2

Wende das Distributivgesetz an.

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

Schritt 1.1.7.3

Mutltipliziere $A$ mit $1$ .

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

Schritt 1.1.7.4

Schreibe neu unter Anwendung des Kommutativgesetzes der Multiplikation.

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

Schritt 1.1.7.5

Kürze den gemeinsamen Faktor von $1 - x$ .

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Schritt 1.1.7.5.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

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

Schritt 1.1.7.5.2

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

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

Schritt 1.1.7.6

Wende das Distributivgesetz an.

$1 = A - A x + B \cdot 1 + B x$

Schritt 1.1.7.7

Mutltipliziere $B$ mit $1$ .

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

Schritt 1.1.8

Vereinfache den Ausdruck.

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Schritt 1.1.8.1

Bewege $A$ .

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

Schritt 1.1.8.2

Stelle $B$ und $x$ um.

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

Schritt 1.1.8.3

Bewege $B$ .

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

Schritt 1.1.8.4

Bewege $A$ .

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

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.

$0 = - 1 A + B$

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.

$1 = A + B$

Schritt 1.2.3

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

$0 = - 1 A + B$

$1 = A + B$

$0 = - 1 A + B$

$1 = A + B$

Schritt 1.3

Löse das Gleichungssystem.

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Schritt 1.3.1

Löse in $1 = A + B$ nach $A$ auf.

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Schritt 1.3.1.1

Schreibe die Gleichung als $A + B = 1$ um.

$A + B = 1$

$0 = - 1 A + B$

Schritt 1.3.1.2

Subtrahiere $B$ von beiden Seiten der Gleichung.

$A = 1 - B$

$0 = - 1 A + B$

$A = 1 - B$

$0 = - 1 A + B$

Schritt 1.3.2

Ersetze alle Vorkommen von $A$ durch $1 - B$ in jeder Gleichung.

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Schritt 1.3.2.1

Ersetze alle $A$ in $0 = - 1 A + B$ durch $1 - B$ .

$0 = - 1 (1 - B) + B$

$A = 1 - B$

Schritt 1.3.2.2

Vereinfache die rechte Seite.

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Schritt 1.3.2.2.1

Vereinfache $- 1 (1 - B) + B$ .

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Schritt 1.3.2.2.1.1

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 1.3.2.2.1.1.1

Wende das Distributivgesetz an.

$0 = - 1 \cdot 1 - 1 (- B) + B$

$A = 1 - B$

Schritt 1.3.2.2.1.1.2

Mutltipliziere $- 1$ mit $1$ .

$0 = - 1 - 1 (- B) + B$

$A = 1 - B$

Schritt 1.3.2.2.1.1.3

Multipliziere $- 1 (- B)$ .

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Schritt 1.3.2.2.1.1.3.1

Mutltipliziere $- 1$ mit $- 1$ .

$0 = - 1 + 1 B + B$

$A = 1 - B$

Schritt 1.3.2.2.1.1.3.2

Mutltipliziere $B$ mit $1$ .

$0 = - 1 + B + B$

$A = 1 - B$

$0 = - 1 + B + B$

$A = 1 - B$

$0 = - 1 + B + B$

$A = 1 - B$

Schritt 1.3.2.2.1.2

Addiere $B$ und $B$ .

$0 = - 1 + 2 B$

$A = 1 - B$

$0 = - 1 + 2 B$

$A = 1 - B$

$0 = - 1 + 2 B$

$A = 1 - B$

$0 = - 1 + 2 B$

$A = 1 - B$

Schritt 1.3.3

Löse in $0 = - 1 + 2 B$ nach $B$ auf.

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Schritt 1.3.3.1

Schreibe die Gleichung als $- 1 + 2 B = 0$ um.

$- 1 + 2 B = 0$

$A = 1 - B$

Schritt 1.3.3.2

Addiere $1$ zu beiden Seiten der Gleichung.

$2 B = 1$

$A = 1 - B$

Schritt 1.3.3.3

Teile jeden Ausdruck in $2 B = 1$ durch $2$ und vereinfache.

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Schritt 1.3.3.3.1

Teile jeden Ausdruck in $2 B = 1$ durch $2$ .

$\frac{2 B}{2} = \frac{1}{2}$

$A = 1 - B$

Schritt 1.3.3.3.2

Vereinfache die linke Seite.

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Schritt 1.3.3.3.2.1

Kürze den gemeinsamen Faktor von $2$ .

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Schritt 1.3.3.3.2.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{2 B}{2} = \frac{1}{2}$

$A = 1 - B$

Schritt 1.3.3.3.2.1.2

Dividiere $B$ durch $1$ .

$B = \frac{1}{2}$

$A = 1 - B$

$B = \frac{1}{2}$

$A = 1 - B$

$B = \frac{1}{2}$

$A = 1 - B$

$B = \frac{1}{2}$

$A = 1 - B$

$B = \frac{1}{2}$

$A = 1 - B$

Schritt 1.3.4

Ersetze alle Vorkommen von $B$ durch $\frac{1}{2}$ in jeder Gleichung.

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Schritt 1.3.4.1

Ersetze alle $B$ in $A = 1 - B$ durch $\frac{1}{2}$ .

$A = 1 - (\frac{1}{2})$

$B = \frac{1}{2}$

Schritt 1.3.4.2

Vereinfache die rechte Seite.

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Schritt 1.3.4.2.1

Vereinfache $1 - (\frac{1}{2})$ .

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Schritt 1.3.4.2.1.1

Schreibe $1$ als Bruch mit einem gemeinsamen Nenner.

$A = \frac{2}{2} - \frac{1}{2}$

$B = \frac{1}{2}$

Schritt 1.3.4.2.1.2

Vereinige die Zähler über dem gemeinsamen Nenner.

$A = \frac{2 - 1}{2}$

$B = \frac{1}{2}$

Schritt 1.3.4.2.1.3

Subtrahiere $1$ von $2$ .

$A = \frac{1}{2}$

$B = \frac{1}{2}$

$A = \frac{1}{2}$

$B = \frac{1}{2}$

$A = \frac{1}{2}$

$B = \frac{1}{2}$

$A = \frac{1}{2}$

$B = \frac{1}{2}$

Schritt 1.3.5

Liste alle Lösungen auf.

$A = \frac{1}{2}, B = \frac{1}{2}$

Schritt 1.4

Ersetze jeden der Teilbruchkoeffizienten in $\frac{A}{1 + x} + \frac{B}{1 - x}$ durch die Werte, die für $A$ und $B$ ermittelt wurden.

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

Schritt 1.5

Vereinfache.

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Schritt 1.5.1

Multipliziere den Zähler mit dem Kehrwert des Nenners.

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

Schritt 1.5.2

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

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

Schritt 1.5.3

Multipliziere den Zähler mit dem Kehrwert des Nenners.

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

Schritt 1.5.4

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

$\int_{0}^{1} \frac{1}{2 (1 + x)} + \frac{1}{2 (1 - x)} d x$

Schritt 2

Zerlege das einzelne Integral in mehrere Integrale.

$\int_{0}^{1} \frac{1}{2 (1 + x)} d x + \int_{0}^{1} \frac{1}{2 (1 - x)} d x$

Schritt 3

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

$\frac{1}{2} \int_{0}^{1} \frac{1}{1 + x} d x + \int_{0}^{1} \frac{1}{2 (1 - x)} d x$

Schritt 4

Sei $u_{1} = 1 + x$ . Dann ist $d u_{1} = d x$ . Forme um unter Vewendung von $u_{1}$ und $d$ $u_{1}$ .

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Schritt 4.1

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

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Schritt 4.1.1

Differenziere $1 + x$ .

$\frac{d}{d x} [1 + x]$

Schritt 4.1.2

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $1 + x$ nach $x$ $\frac{d}{d x} [1] + \frac{d}{d x} [x]$ .

$\frac{d}{d x} [1] + \frac{d}{d x} [x]$

Schritt 4.1.3

Da $1$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $1$ bezüglich $x$ gleich $0$ .

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

Schritt 4.1.4

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

$0 + 1$

Schritt 4.1.5

Addiere $0$ und $1$ .

$1$

Schritt 4.2

Setze die untere Grenze für $x$ in $u_{1} = 1 + x$ ein.

$u_{lower} = 1 + 0$

Schritt 4.3

Addiere $1$ und $0$ .

$u_{lower} = 1$

Schritt 4.4

Setze die obere Grenze für $x$ in $u_{1} = 1 + x$ ein.

$u_{upper} = 1 + 1$

Schritt 4.5

Addiere $1$ und $1$ .

$u_{upper} = 2$

Schritt 4.6

Die für $u_{lower}$ und $u_{upper}$ gefundenen Werte werden dazu verwendet, um das bestimmte Integral zu berechnen.

$u_{lower} = 1$

$u_{upper} = 2$

Schritt 4.7

Schreibe die Aufgabe mithilfe von $u_{1}$ , $d u_{1}$ und den neuen Grenzen der Integration neu.

$\frac{1}{2} \int_{1}^{2} \frac{1}{u_{1}} d u_{1} + \int_{0}^{1} \frac{1}{2 (1 - x)} d x$

Schritt 5

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

$\frac{1}{2} \ln (| u_{1} |)]_{1}^{2} + \int_{0}^{1} \frac{1}{2 (1 - x)} d x$

Schritt 6

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

$\frac{1}{2} \ln (| u_{1} |)]_{1}^{2} + \frac{1}{2} \int_{0}^{1} \frac{1}{1 - x} d x$

Schritt 7

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

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Schritt 7.1

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

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Schritt 7.1.1

Forme um.

$\frac{- 1}{1}$

Schritt 7.1.2

Dividiere $- 1$ durch $1$ .

$- 1$

Schritt 7.2

Setze die untere Grenze für $x$ in $u_{2} = 1 - x$ ein.

$u_{lower} = 1 - 0$

Schritt 7.3

Subtrahiere $0$ von $1$ .

$u_{lower} = 1$

Schritt 7.4

Setze die obere Grenze für $x$ in $u_{2} = 1 - x$ ein.

$u_{upper} = 1 - 1 \cdot 1$

Schritt 7.5

Vereinfache.

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Schritt 7.5.1

Mutltipliziere $- 1$ mit $1$ .

$u_{upper} = 1 - 1$

Schritt 7.5.2

Subtrahiere $1$ von $1$ .

$u_{upper} = 0$

Schritt 7.6

Die für $u_{lower}$ und $u_{upper}$ gefundenen Werte werden dazu verwendet, um das bestimmte Integral zu berechnen.

$u_{lower} = 1$

$u_{upper} = 0$

Schritt 7.7

Schreibe die Aufgabe mithilfe von $u_{2}$ , $d u_{2}$ und den neuen Grenzen der Integration neu.

$\frac{1}{2} \ln (| u_{1} |)]_{1}^{2} + \frac{1}{2} \int_{1}^{0} \frac{- 1}{u_{2}} d u_{2}$

Schritt 8

Ziehe das Minuszeichen vor den Bruch.

$\frac{1}{2} \ln (| u_{1} |)]_{1}^{2} + \frac{1}{2} \int_{1}^{0} - \frac{1}{u_{2}} d u_{2}$

Schritt 9

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

$\frac{1}{2} \ln (| u_{1} |)]_{1}^{2} + \frac{1}{2} (- \int_{1}^{0} \frac{1}{u_{2}} d u_{2})$

Schritt 10

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

$\frac{1}{2} \ln (| u_{1} |)]_{1}^{2} + \frac{1}{2} (- (\ln (| u_{2} |)]_{1}^{0}))$

Schritt 11

Kombiniere $\frac{1}{2}$ und $\ln (| u_{2} |)]_{1}^{0}$ .

$\frac{1}{2} \ln (| u_{1} |)]_{1}^{2} - \frac{\ln (| u_{2} |)]_{1}^{0}}{2}$

Schritt 12

Substituiere und vereinfache.

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Schritt 12.1

Berechne $\ln (| u_{1} |)$ bei $2$ und $1$ .

$\frac{1}{2} ((\ln (| 2 |)) - \ln (| 1 |)) - \frac{\ln (| u_{2} |)]_{1}^{0}}{2}$

Schritt 12.2

Berechne $\ln (| u_{2} |)$ bei $0$ und $1$ .

$\frac{1}{2} ((\ln (| 2 |)) - \ln (| 1 |)) - \frac{(\ln (| 0 |)) - \ln (| 1 |)}{2}$

Schritt 12.3

Vereinfache.

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Schritt 12.3.1

Um $\frac{1}{2} (\ln (| 2 |) - \ln (| 1 |))$ als Bruch mit einem gemeinsamen Nenner zu schreiben, multipliziere mit $\frac{2}{2}$ .

$\frac{1}{2} (\ln (| 2 |) - \ln (| 1 |)) \cdot \frac{2}{2} - \frac{\ln (| 0 |) - \ln (| 1 |)}{2}$

Schritt 12.3.2

Kombiniere $\frac{1}{2} (\ln (| 2 |) - \ln (| 1 |))$ und $\frac{2}{2}$ .

$\frac{\frac{1}{2} (\ln (| 2 |) - \ln (| 1 |)) \cdot 2}{2} - \frac{\ln (| 0 |) - \ln (| 1 |)}{2}$

Schritt 12.3.3

Vereinige die Zähler über dem gemeinsamen Nenner.

$\frac{\frac{1}{2} (\ln (| 2 |) - \ln (| 1 |)) \cdot 2 - (\ln (| 0 |) - \ln (| 1 |))}{2}$

Schritt 12.3.4

Kombiniere $2$ und $\frac{1}{2}$ .

$\frac{\frac{2}{2} (\ln (| 2 |) - \ln (| 1 |)) - (\ln (| 0 |) - \ln (| 1 |))}{2}$

Schritt 12.3.5

Kürze den gemeinsamen Faktor von $2$ .

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Schritt 12.3.5.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{\frac{2}{2} (\ln (| 2 |) - \ln (| 1 |)) - (\ln (| 0 |) - \ln (| 1 |))}{2}$

Schritt 12.3.5.2

Forme den Ausdruck um.

$\frac{1 (\ln (| 2 |) - \ln (| 1 |)) - (\ln (| 0 |) - \ln (| 1 |))}{2}$

Schritt 12.3.6

Mutltipliziere $\ln (| 2 |) - \ln (| 1 |)$ mit $1$ .

$\frac{\ln (| 2 |) - \ln (| 1 |) - (\ln (| 0 |) - \ln (| 1 |))}{2}$

Schritt 13

Vereinfache.

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Schritt 13.1

Nutze die Quotienteneigenschaft von Logarithmen, $\log_{b} (x) - \log_{b} (y) = \log_{b} (\frac{x}{y})$ .

$\frac{\ln (\frac{| 2 |}{| 1 |}) - (\ln (| 0 |) - \ln (| 1 |))}{2}$

Schritt 13.2

Nutze die Quotienteneigenschaft von Logarithmen, $\log_{b} (x) - \log_{b} (y) = \log_{b} (\frac{x}{y})$ .

$\frac{\ln (\frac{| 2 |}{| 1 |}) - \ln (\frac{| 0 |}{| 1 |})}{2}$

Schritt 13.3

Nutze die Quotienteneigenschaft von Logarithmen, $\log_{b} (x) - \log_{b} (y) = \log_{b} (\frac{x}{y})$ .

$\frac{\ln (\frac{\frac{| 2 |}{| 1 |}}{\frac{| 0 |}{| 1 |}})}{2}$

Schritt 13.4

Schreibe $\frac{\frac{| 2 |}{| 1 |}}{\frac{| 0 |}{| 1 |}}$ als ein Produkt um.

$\frac{\ln (\frac{| 2 |}{| 1 |} \cdot \frac{1}{\frac{| 0 |}{| 1 |}})}{2}$

Schritt 13.5

Multipliziere mit dem Kehrwert des Bruchs, um durch $\frac{| 0 |}{| 1 |}$ zu dividieren.

$\frac{\ln (\frac{| 2 |}{| 1 |} (1 \frac{| 1 |}{| 0 |}))}{2}$

Schritt 13.6

Mutltipliziere $\frac{| 1 |}{| 0 |}$ mit $1$ .

$\frac{\ln (\frac{| 2 |}{| 1 |} \cdot \frac{| 1 |}{| 0 |})}{2}$

Schritt 13.7

Mutltipliziere $\frac{| 2 |}{| 1 |}$ mit $\frac{| 1 |}{| 0 |}$ .

$\frac{\ln (\frac{| 2 | | 1 |}{| 1 | | 0 |})}{2}$

Schritt 13.8

Um Absolutwerte zu multiplizieren, multipliziere die Terme innerhalb jedes Absolutwerts.

$\frac{\ln (\frac{| 2 \cdot 1 |}{| 1 | | 0 |})}{2}$

Schritt 13.9

Mutltipliziere $2$ mit $1$ .

$\frac{\ln (\frac{| 2 |}{| 1 | | 0 |})}{2}$

Schritt 13.10

Um Absolutwerte zu multiplizieren, multipliziere die Terme innerhalb jedes Absolutwerts.

$\frac{\ln (\frac{| 2 |}{| 1 \cdot 0 |})}{2}$

Schritt 13.11

Mutltipliziere $0$ mit $1$ .

$\frac{\ln (\frac{| 2 |}{| 0 |})}{2}$

Schritt 14

Vereinfache.

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Schritt 14.1

Der Absolutwert ist der Abstand zwischen einer Zahl und null. Der Abstand zwischen $0$ und $0$ ist $0$ .

$\frac{\ln (\frac{| 2 |}{0})}{2}$

Schritt 14.2

Der Ausdruck enthält eine Division durch $0$ . Der Ausdruck ist nicht definiert.

Undefiniert

$\frac{\ln (\frac{| 2 |}{0})}{2}$

Schritt 15

Der Ausdruck enthält eine Division durch $0$ . Der Ausdruck ist nicht definiert.

Undefiniert