Formelsammlung Mathematik: Unbestimmte Integrale rationaler Funktionen

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Das Integral einer rationalen Funktion lässt sich immer in geschlossener Form angeben, wenn dies für die Nullstellen der Nennerfunktion der Fall ist. Das Standardverfahren hierfür ist die Partialbruchzerlegung, durch die sich das Problem auf die Integration einiger weniger Grundtypen rationaler Funktionen zurückführen lässt.

Die folgenden Tabellen enthalten außer diesen Grundtypen zahlreiche andere Typen von rationalen Funktionen, sodass die Partialbruchzerlegung in vielen Fällen überflüssig sein wird.

Integrale, die ax + b enthalten Bearbeiten

[1] Bearbeiten

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[2] Bearbeiten

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  • Nützlich ist auch die Formel
     
    wenn   eine natürliche Zahl mit   ist. Dann kann   leichter nach dem binomischen Lehrsatz entwickelt werden.

Oder

 


[5] Bearbeiten

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[6] Bearbeiten

 


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,

[8] Bearbeiten

 


[9] Bearbeiten

 


[10] Bearbeiten

 

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[16] Bearbeiten

 

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[18] Bearbeiten

 
Für   ist die Summe leer und es es entsteht die vorhergehende Formel.

[19] Bearbeiten

  •  

[20] Bearbeiten

 

[21] Bearbeiten

 

[22] Bearbeiten

 
Für n = 1 (mit leerer Summe) und für n = 3 sind dies andere Stammfunktionen (beziehungsweise eine andere Konstante) als oben angegeben, für n = 2 ist es eine andere Darstellung der selben Stammfunktion.

[23] Bearbeiten

  •  

[24] Bearbeiten

 

[25] Bearbeiten

 

[26] Bearbeiten

 
Für n = 1 (wo die Summe leer ist), n = 2 und n = 3 sind dies die oben angegebenen Funktionen.

[27] Bearbeiten

  •  
    Diese Verallgemeinerung umfasst die meisten der oben angegebenen Formeln.

Integrale, die zwei Linearfaktoren enthalten Bearbeiten

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Integrale, die x2 ± a2 enthalten Bearbeiten

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Rekursionsformeln:
 
 
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Rekursionsformel:
 
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Integrale, die x2 ± a2 und einen Linearfaktor enthalten Bearbeiten

 
 

Integrale, die ax2 + bx + c enthalten Bearbeiten

  • Grundlage bildet das Integral
     
Im Falle   kann man auch dafür auch schreiben:
 
Dieses Integral wird im Rest dieses Abschnitts immer wieder verwendet, entweder direkt oder als Verankerung für eine Rekursion.
  •  
 
Rekursionsformel:
 
Für n = 2 und n = 3 sind das die oben angegebenen Stammfunktionen.
  •  
In geschlossener Form ist
 
(oder Schreibweise mit artanh und arcoth analog zu oben)
 
Rekursionsformel:
 
Für n = 2 ist das die vorige Stammfunktion.
  •  
 
Die folgende Formel gilt für alle ganzen Zahlen n. Für n = 1 und n = 2 handelt es sich um die eben genannten Stammfunktionen:
 
  • Die folgende sehr allgemeine Formel gilt für alle ganzen Zahlen   und für alle  , also für nahezu alle Funktionen in diesem Abschnitt und zudem für eine Reihe von irrationalen Funktionen. Als Rekursionsformel brauchbar ist sie natürlich nur für  . Für negative   gibt es eine andere Rekursionsformel, siehe unten.
     
Für m = 2n–1 gilt statt dessen:
 
  •  
Rekursionsformel:
 
  •  
  • Und schließlich wieder als Rekursionsformel:
     

Integrale, die ax2 + bx + c und einen Linearfaktor enthalten Bearbeiten

  •  

Integrale, die drei oder mehr Linearfaktoren enthalten Bearbeiten

Die Werte a, b, c,… müssen alle voneinander verschieden sein.

  •  
 
…und so weiter. Allgemein geschrieben sieht das so aus:
 

Integrale, die x3 ± a3 enthalten Bearbeiten

  •  
    Dieses Integral – und das übernächste – werden im Rest des Abschnitts mehrfach zur Abkürzung verwendet.
 
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Integrale, die x4 ± a4 enthalten Bearbeiten

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Integrale, die zwei quadratische Faktoren enthalten Bearbeiten

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    Für die Integrale auf der rechten Seite siehe 5. Abschnitt