Schüler Gymnasium, 12. Klassenstufe
Tags: Bestimmtes Integral, Obersumme und Untersumme
baron24
13:34 Uhr, 29. 03. 2011
Hallo. Ich muss ein Integral berchen mit ober und untersumme von 0 zu Funktion ist y=0, 4x². Ich weis zwar wir man das mit einem Taschenrechner auschrechnet, aber nicht mit Ober und Untersumme. Bräuchte eine genaue Beschreibung bzw. Anleitung
Hierzu passend bei OnlineMathe: Bestimmtes Integral (Mathematischer Grundbegriff)
Rechenregeln zum Integral
Flächenberechnung durch Integrieren
Stammfunktion (Mathematischer Grundbegriff)
Online-Übungen (Übungsaufgaben) bei: Flächenberechnung und bestimmtes Integral
Zu diesem Thema passende Musteraufgaben einblenden
Shipwater
16:54 Uhr, 29. 2011
Erstmal zerlegst du das Intervall in n gleich breite Teile, dann hat jedes die Breite 5 n. Für die Untersumme addierst du jetzt die Flächeninhalte entsprechender Rechtecke: U n = f ( 0 n) ⋅ 5 n + f ( 5 n) ⋅ 5 n + f ( 10 n) ⋅ 5 n + f ( 15 n) ⋅ 5 n +... + f ( 5 n - 5 n) ⋅ 5 n = 5 n ⋅ ( f ( 0) + f ( 5 n) + f ( 10 n) + f ( 15 n) +... + f ( 5 n - 5 n)) U n = 5 n ⋅ ( 0 + 0, 4 ⋅ ( 5 n) 2 + 0, 4 ⋅ ( 10 n) 2 + 0, 4 ⋅ ( 15 n) 2 +... Rechtecksummen: Obersumme und Untersumme. + 0, 4 ⋅ ( 5 n - 5 n) 2) = 2 n 3 ⋅ ( 5 2 + 10 2 + 15 2 +... + ( 5 n - 5) 2) U n = 2 n 3 ⋅ ( 25 + 25 ⋅ 2 2 + 25 ⋅ 3 2 +... + 25 ( n - 1) 2) = 50 n 3 ⋅ ( 1 2 + 2 2 + 3 2 +... + ( n - 1) 2) Für die Summe aller Quadratzahlen bis ( n - 1) 2 gilt (Formel z.
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Für diese gilt:
\[ h = \frac{b-a}{n} = \frac{3}{n}\]
Dann kommen wir zu den Funktionswerten. Fangen wir mit der Untersumme an. Hier wählen wir immer den kleinsten $y$-Wert in einem Teilintervall aus. Da unsere Funktion streng monoton steigend ist,
nehmen wir die linke Intervallgrenze als $x$-Wert. Ober und untersumme berechnen taschenrechner und. Demnach ergibt sich folgende Summe:
\[ \underline{A}_n = \frac{3}{n} \cdot f(0) + \frac{3}{n} \cdot f\left(\frac{3}{n}\right) + \frac{3}{n} \cdot f\left(2\frac{3}{n}\right) + \ldots + \frac{3}{n} \cdot f\left((n-1)\frac{3}{n}\right) \]
Als erstes können wir unsere Breite $h=\frac{3}{n}$ ausklammern. Dies vereinfacht unsere Gleichung zu:
\[ \underline{A}_n = \frac{3}{n} \cdot \left( f(0) + f\left(\frac{3}{n}\right) + f\left(2\frac{3}{n}\right) + \ldots + f\left((n-1)\frac{3}{n}\right) \right)\]
Nun setzen wir $f(x)=x$ und klammern anschließend $\frac{3}{n}$ nochmals aus, da dieser Faktor in jeder Summe vorkommt. \underline{A}_n &= \frac{3}{n} \left( 0 + \frac{3}{n} + 2 \frac{3}{n} + \ldots + (n-1)\frac{3}{n} \right) \\
\underline{A}_n &= \frac{3}{n} \cdot \frac{3}{n} \left( 1 + 2+ 3 + \ldots (n-1) \right)
Nun haben wir bei dieser Aufgabe das Problem, dass wir mit $\left( 1 + 2+ 3 + \ldots (n-1) \right)$ nur schlecht rechnen können.
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Im letzten Abschnitt haben wir versucht die Fläche unterhalb der Funktion $f(x)=x^2$ im Intervall $[1, 4]$ anzunähern. Hier haben wir drei Rechtecksflächen, die alle unterhalb des Graphen lagen, aufaddiert. Diese Summe heißt auch Untersumme, da man nur Rechtecke benutzt hat, die unterhalb des Graphen liegen. Man kann die Funktion aber auch mittels der Obersumme bestimmen. Dazu unterteilen wir das Intervall wieder in drei gleichgroße Teile und nähern nun die Fläche von oben an. Ober und untersumme berechnen taschenrechner von. Wir erhalten demnach:
\begin{align}
\overline{A}_3 &= A_1 + A_2 +A_3 \\
&= 1\cdot f(2) + 1 \cdot f(3) + 1 \cdot f(4) \\&= 4 + 9 + 16 = 29
\end{align}
Wie man erkennt gilt in diesem Fall $\underline{A}_3 \leq 21 \leq \overline{A}_3$. 21 soll die exakte Fläche sein. Dass diese exakte Fläche zwischen Untersumme und Obersumme liegt gilt generell. Ober- und Untersummen-Ungleichung
Für die gesuchte Fläche unterhalb eines Graphen gilt folgende Ungleichung:
\[ \text{Untersumme} \quad \ \leq \quad \text{ gesuchte Fläche} \quad \leq \quad \text{ Obersumme}\]
Mit diesem Punkt haben wir nun gezeigt, dass die gesuchte Fläche einen Wert zwischen 14 und 29 annimmt.
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Berechne $U(n)=\frac1n\left(\left(\frac0n\right)^2+\left(\frac1n\right)^2+\left(\frac2n\right)^2+... +\left(\frac{n-1}n\right)^2\right)$. Du kannst nun den Faktor $\frac1{n^2}$ in dem Klammerterm ausklammern: $U(n)=\frac1{n^3}\left(1^2+2^2+... +(n-1)^2\right)$. Verwende die Summenformel $1^2+2^2+... +(n-1)^2=\frac{(n-1)\cdot n\cdot (2n-1)}{6}$. Schließlich erhältst du $U(n)= \frac{(n-1)\cdot n\cdot (2n-1)}{6\cdot n^3}$. Es ist $A=\lim\limits_{n\to\infty} U(n)=\frac26=\frac13$. Ober- und Untersumme. Zusammenhang Ober- und Untersumme mit dem Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung
Diesen Flächeninhalt berechnest du mit dem Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung als bestimmtes Integral:
$A=\int\limits_0^1~x^2~dx=\left[\frac13x^3\right]_0^1=\frac13\cdot 1^3-\frac13\cdot 0^3=\frac13$. Du kannst nun natürlich sagen, dass die letzte Berechnung sehr viel einfacher ist. Das stimmt auch. Allerdings wird diese Regel durch die Streifenmethode nach Archimedes hergeleitet. Abschließend kannst du noch den Flächeninhalt $A$ aus dem anfänglichen Beispiel berechnen
$A=\int\limits_1^2~x^2~dx=\left[\frac13x^3\right]_1^2=\frac13\cdot 2^3-\frac13\cdot 1^3=\frac83-\frac13=\frac73$.
Dann wird durch den gemeinsamen Grenzwert von Unter- und Obersumme der Inhalt der Fläche unterhalb
des Graphen bestimmt. \[\lim\limits_{n \to \infty} \underline{A}_n = \lim\limits_{n \to \infty} \overline{A}_n = A\]
Dabei ist $\underline{A}_n$ die Untersumme, die in $n$ Teile aufgeteilt ist, und $\overline{A}_n$ die Obersumme, die ebenfalls in $n$ Teile aufgeteilt ist. Dieser Satz sagt also nichts großartig neues aus. In anderen Worten beschreibt sie nur, wenn wir das Intervall genügend oft unterteilen, also $n \to \infty$, und die Untersumme gleich der Obersumme ist,
dann haben wir die Fläche best möglichst approximiert, da die obige Ungleichung gilt. Nun wollen wir abschließend die Fläche unter einem Graphen mit dieser Methode bestimmen. Ober und untersumme berechnen taschenrechner e. Dafür nehmen wir uns den einfachsten Graphen, nämlich $f(x)=x$ in den Grenzen von $0$ bis $3$. Natürlich kann man die Fläche auch mittels Dreiecksberechnung bestimmen, aber wir wollen es nun einmal mittels Ober- und Untersumme versuchen. Unser erster Schritt ist das Bestimmen von der Intervalllänge $h$.
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