TU Wien:Analysis VU (diverse)/Übungen 2024S/Beispiel 229

Aus VoWi
Zur Navigation springen Zur Suche springen

Man berechne ∫x⋅arcsin⁡xdx

Dieses Beispiel hat einen unbekannten Lösungsstatus. Bitte editiere diese Seite und schreibe den dir bekannten Status ins Beispiel. Die möglichen Werte sind hier: Vorlage:Beispiel dokumentiert. Führe folgende Änderung durch:
{{Beispiel|1=
Angabetext
}}

oder

{{Beispiel|
Angabetext
}}

zu (im Falle einer korrekten, unverifizierten Lösung "solved". Auch möglich "unsolved", "wrong", "verified_by_tutor". Alle möglichen Werte sind hier: Vorlage:Beispiel dokumentiert.)

{{Beispiel|status=solved|1=
Angabetext
}}


Substitutionsregel

∫f(u(x))u′(x)dx=∫f(u)du mit u=u(x)   (Satz 5.41)

Partielle_Integration
Partielle Integration[Bearbeiten, Wikipedia, 5.41 Satz]

∫udv=uv−∫vdu alias ∫u(x)v′(x)=u(x)v(x)−∫u′(x)v(x)

Lösung von Mhaslhofer 17:04, 18. Okt. 2009 (CEST)

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Folgende Formeln sind zum Lösen notwendig (Die Herleitung ist weiter unten beschrieben)

∫arcsin⁡xdx=xarcsin⁡x+1−x2+c
∫1−x2dx=12(x1−x2+arcsin⁡x)+c

Durch Anwendung der partiellen Integration bekommt man:

∫xarcsin⁡xdx=x(xarcsin⁡x+1−x2)−∫xarcsin⁡xdx−∫1−x2dx

(nicht ganz) überraschender Weise findet sich das gesuchte Integral auch auf der rechten Seite der Gleichung - wir bringen den Term einfach nach links (und lösen das andere Integral auf):

2⋅∫xarcsin⁡xdx=x(x arcsin⁡x+1−x2)−12(x1−x2+arcsin⁡x)

Jetzt einfach nur noch umformen:

∫xarcsin⁡xdx=12(x2arcsin⁡x+x1−x2−x1−x22−arcsin⁡x2)
∫xarcsin⁡xdx=14(2x2arcsin⁡x+x1−x2−arcsin⁡x)+c

Nebenrechnung 1

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die erste Nebenrechnung zeigt: ∫arcsin⁡xdx=xarcsin⁡x+1−x2+c

∫arcsin⁡xdx

Wir substituieren:

x=sin⁡t
dx=cos⁡tdt

und lösen daher:

∫arcsin⁡(sin⁡t)cos⁡tdt=∫tcos⁡tdt

durch partielle Integration erhalten wir:

∫tcos⁡tdt=tsin⁡t−∫sin⁡tdt=tsin⁡t+cos⁡t

Wenn wir jetzt resubstituieren kommen wir auf:

∫arcsin⁡xdx=arcsin⁡x⋅x+cos⁡(arcsin⁡x)

Der Ausdruck: cos⁡(arcsin⁡x) ist unschön - wir können ihn durch:

sin2x+cos2x=1⇔cos⁡x=1−sin2x
cos⁡(arcsin⁡x)=1−sin2(arcsin⁡x)=1−x2 ersetzen.

Und den Term in die Lösung einsetzen:

∫arcsin⁡xdx=xarcsin⁡x+1−x2+c

Nebenrechnung 2

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die zweite Nebenrechnung zeigt:∫1−x2dx=12(x1−x2+arcsin⁡x)+c

∫1−x2dx

Wir substituieren:

x=sin⁡t
dx=cos⁡tdt

und erhalten so:

∫1−x2dx=∫1−sin2t⋅cos⁡tdt

Da aus:

sin2t+cos2t=1⇔1−sin2t=cos⁡t

folgt, können wir umformen auf:

∫1−sin2t⋅cos⁡tdt=∫cos⁡t⋅cos⁡tdt

Durch Anwendung der partiellen Integration erhalten wir:

∫cos⁡t⋅cos⁡tdt=cos⁡t⋅sin⁡t−∫−sin⁡t⋅sin⁡tdt=cos⁡t⋅sin⁡t+∫sin2tdt=cos⁡t⋅sin⁡t+∫1−cos2tdt

und daher:

∫cos⁡t⋅cos⁡tdt=cos⁡t⋅sin⁡t+∫1dt−∫cos2tdt
2⋅∫cos2tdt=cos⁡t⋅sin⁡t+t
∫cos2tdt=12(cos⁡t⋅sin⁡t+t)

Wir resubstituieren:

∫1−x2dx=12(cos⁡(arcsin⁡x)⋅x+arcsin⁡x)

Wie in #Nebenrechnung 1 können wir:

cos⁡(arcsin⁡x)=1−sin2(arcsin⁡x)=1−x2 ersetzen.

und kommen so auf:

∫1−x2dx=12(x1−x2+arcsin⁡x)+c