Fortgeschritten Mathematik & Logik 12 Punkte · ~25 Min.

Integrale mit Substitution und partieller Integration

Aufgabenstellung

Berechnen Sie die folgenden Integrale. Geben Sie jeweils die verwendete Methode an.

  • (a) ∫2x⋅ex2 dx\displaystyle\int 2x \cdot e^{x^2}\,dx (2 BE)
  • (b) ∫6x(3x2+1)2 dx\displaystyle\int \frac{6x}{(3x^2+1)^2}\,dx (2 BE)
  • (c) ∫cos⁡(x)⋅esin⁡(x) dx\displaystyle\int \cos(x) \cdot e^{\sin(x)}\,dx (2 BE)
  • (d) ∫x⋅ex dx\displaystyle\int x \cdot e^x\,dx (3 BE)
  • (e) ∫x⋅cos⁡(x) dx\displaystyle\int x \cdot \cos(x)\,dx (3 BE)

Lösungsweg

Schritt 1: Substitution – lineare Verkettung (a, b, c)

(a) ∫2x⋅ex2 dx\displaystyle\int 2x \cdot e^{x^2}\,dx

Substitution: u=x2u = x^2, du=2x dxdu = 2x\,dx:

∫eu du=eu+C=ex2+C\int e^u\,du = e^u + C = e^{x^2} + C

∫2x⋅ex2 dx=ex2+C\boxed{\int 2x \cdot e^{x^2}\,dx = e^{x^2} + C}

(b) ∫6x(3x2+1)2 dx\displaystyle\int \frac{6x}{(3x^2+1)^2}\,dx

Substitution: u=3x2+1u = 3x^2 + 1, du=6x dxdu = 6x\,dx:

∫1u2 du=∫u−2 du=−u−1+C=−13x2+1+C\int \frac{1}{u^2}\,du = \int u^{-2}\,du = -u^{-1} + C = -\frac{1}{3x^2+1} + C

∫6x(3x2+1)2 dx=−13x2+1+C\boxed{\int \frac{6x}{(3x^2+1)^2}\,dx = -\frac{1}{3x^2+1} + C}

(c) ∫cos⁡(x)⋅esin⁡(x) dx\displaystyle\int \cos(x) \cdot e^{\sin(x)}\,dx

Substitution: u=sin⁡(x)u = \sin(x), du=cos⁡(x) dxdu = \cos(x)\,dx:

∫eu du=eu+C=esin⁡(x)+C\int e^u\,du = e^u + C = e^{\sin(x)} + C

∫cos⁡(x)⋅esin⁡(x) dx=esin⁡(x)+C\boxed{\int \cos(x) \cdot e^{\sin(x)}\,dx = e^{\sin(x)} + C}

Schritt 2: Partielle Integration (d)

∫x⋅ex dx\displaystyle\int x \cdot e^x\,dx

Wahl: u=xu = x, v′=exv' = e^x → u′=1u' = 1, v=exv = e^x.

∫x⋅ex dx=x⋅ex−∫1⋅ex dx=x⋅ex−ex+C\int x \cdot e^x\,dx = x \cdot e^x - \int 1 \cdot e^x\,dx = x \cdot e^x - e^x + C

=ex(x−1)+C= e^x(x - 1) + C

∫x⋅ex dx=ex(x−1)+C\boxed{\int x \cdot e^x\,dx = e^x(x-1) + C}

Schritt 3: Partielle Integration (e)

∫x⋅cos⁡(x) dx\displaystyle\int x \cdot \cos(x)\,dx

Wahl: u=xu = x, v′=cos⁡(x)v' = \cos(x) → u′=1u' = 1, v=sin⁡(x)v = \sin(x).

∫x⋅cos⁡(x) dx=x⋅sin⁡(x)−∫sin⁡(x) dx\int x \cdot \cos(x)\,dx = x \cdot \sin(x) - \int \sin(x)\,dx

=xsin⁡(x)+cos⁡(x)+C= x\sin(x) + \cos(x) + C

∫x⋅cos⁡(x) dx=xsin⁡(x)+cos⁡(x)+C\boxed{\int x \cdot \cos(x)\,dx = x\sin(x) + \cos(x) + C}

Schritt 4: Verifikation durch Ableiten

Zur Kontrolle leiten wir die Ergebnisse ab:

  • (d): (ex(x−1))′=ex(x−1)+ex=xex(e^x(x-1))' = e^x(x-1) + e^x = xe^x ✓
  • (e): (xsin⁡(x)+cos⁡(x))′=sin⁡(x)+xcos⁡(x)−sin⁡(x)=xcos⁡(x)(x\sin(x) + \cos(x))' = \sin(x) + x\cos(x) - \sin(x) = x\cos(x) ✓

Ergebnis

IntegralStammfunktionMethode
∫2x ex2 dx\int 2x\,e^{x^2}\,dxex2+Ce^{x^2} + CSubstitution
∫6x(3x2+1)2 dx\int \frac{6x}{(3x^2+1)^2}\,dx−13x2+1+C-\frac{1}{3x^2+1} + CSubstitution
∫cos⁡(x) esin⁡(x) dx\int \cos(x)\,e^{\sin(x)}\,dxesin⁡(x)+Ce^{\sin(x)} + CSubstitution
∫x ex dx\int x\,e^x\,dxex(x−1)+Ce^x(x-1) + CPartielle Int.
∫xcos⁡(x) dx\int x\cos(x)\,dxxsin⁡(x)+cos⁡(x)+Cx\sin(x) + \cos(x) + CPartielle Int.