Es kann vorkommen, dass eine Fläche unter einem Funktionsgraphen betrachtet wird, die in einer Richtung unbeschränkt ist. Dies ist dann der Fall, wenn die Funktion an mindestens einer Integralgrenze nicht definiert ist. Solche Integrale nennt man uneigentliche Integrale und berechnet man über eine Grenzwertbetrachtung an der betroffenen Grenze.

Beispiele sind:

$$\int_a^\infty f(x)\mathrm{d}x=\lim_{b\rightarrow\infty}\int_a^b f(x)\mathrm{d}x$$ oder $$\int_{-\infty}^bf(x)\mathrm{d}x:=\lim_{a\rightarrow-\infty}\int_a^bf(x)\mathrm{d}x$$

Video zum uneigentlichen Integral

Beispiel eines uneigentlichen Integrals

Geogebra File: https://assets.serlo.org/legacy/6728_mD1RdTUcHo.xml

Gesucht ist die Fläche, die der Graph der Funktion %%f\left( x\right)= e^{- x}%% mit den beiden Koordinatenachsen aufspannt.

Wenn man versucht diese Fläche auf herkömmlichem Weg zu brechnen, stößt man auf das Problem, dass der Graph gar keine Nullstelle hat, er schneidet die x-Achse nicht.

Man lässt zur Berechnung eine feste Grenze b gegen unendlich laufen.

$$\begin{align} \int_0^\infty e^{-x}\operatorname{d} x&=\lim_{ b\rightarrow\infty}\int_0^ b e^{- x}\operatorname{d} x\\ &=\lim_{ b\rightarrow\infty}\left[- e^{- x}\right]_0^ b\\ &=\lim_{ b\rightarrow\infty}\underbrace{-e^{-b}}_{\rightarrow0}+1=1 \end{align} $$

Die Fläche ist also genau 1.

Im Allgemeinen muss ein uneigentliches Integral keine Lösung besitzen. Eine Lösung existiert nur, wenn die Stammfunktion gegen den betrachteten Wert einen endlichen Grenzwert besitzt, wie hier die 0. Ansonsten gibt es keine Lösung, oder man sagt, die Fläche besitzt keinen endlichen Flächeninhalt (nicht "Die Fläche besitzt unendlichen Flächeninhalt"!).

Analog zu oben, kann man das uneigentliche Integral auch für negative Grenzen bestimmen, oder Grenzen, bei denen der y-Wert gegen unendlich läuft.

$$\int_0^b f(x)\mathrm{d} x:=\lim_{a\rightarrow0}\int_ a^ b f( x)\operatorname{d} x$$

Geogebra File: https://assets.serlo.org/legacy/6740_DqXWj6vKLU.xml

Ein Beispiel wäre die Funktion %%f\left( x\right)=\frac1{\sqrt{ x}}%% im Intervall 0 bis 1.

Bei 0 würde der %%y%%-Wert unendlich.

Mit einem uneigentlichen Integral lässt sich die Fläche berechnen: $$A=\underset{a\rightarrow0}{\lim}\int_a^1\frac1{\sqrt x}\mathrm{d}x=\underset{a\rightarrow0}{\lim}\left[2\sqrt x\right]_a^1=\left[2\sqrt x\right]_0^1=2-0=2.$$

Ein anderes Resultat ergibt sich jedoch für %%\int_0^\infty\frac1{\sqrt x}dx%%. In diesem Fall müssen beide Integralgrenzen separat als Limes betrachtet werden.

Das Integral %%\int_1^\infty x^a \mathrm{d}x%%

In diesem Abschnitt wird das unbestimmte Integral %%\int_1^\infty x^a \mathrm{d}x%% in Abhängigkeit einer rationalen Zahl %%a\in\mathbb{Q}%% betrachtet:

1.Fall: %%a<-1%%:

$$\int_1^\infty x^a \mathrm{d}x=\underset{b\rightarrow \infty}{\lim} \int_1^b x^a \mathrm{d}x=\underset{b\rightarrow \infty}{\lim} \left[\frac1{a+1}x^{a+1}\right]_1^b=0-\frac1{a+1}=-\frac1{a+1}.$$ Dabei benutzt man, dass %%a+1%% negativ ist.

2.Fall: %%a=-1%%:

$$\int_1^\infty x^{-1} \mathrm{d}x=\underset{b\rightarrow \infty}{\lim} \int_1^b x^{-1} \mathrm{d}x=\underset{b\rightarrow \infty}{\lim} \left[\ln\;x\right]_1^b=\infty.$$ Man verwendet: %%(\ln\;x)'=x^{-1}%%.

3.Fall: %%a>-1%%:

$$\int_1^\infty x^a \mathrm{d}x=\underset{b\rightarrow \infty}{\lim} \int_1^b x^a \mathrm{d}x=\underset{b\rightarrow \infty}{\lim} \left[\frac1{a+1}x^{a+1}\right]_1^b=\infty.$$ Dies ergibt sich, da %%a+1%% für %%a>-1%% positiv ist.

Bemerkung: Eine ähnliche Betrachtung ist für %%\int_0^1x^a \mathrm{d}x%% möglich.

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boutrip 2019-02-03 20:36:38
'Eine Lösung existiert nur, wenn die Stammfunktion gegen den betrachteten Wert einen endlichen Grenzwert besitzt,'

heißt das, dass die Funktion in diesem Bereich nicht integrierbar ist?
Renate 2019-02-04 10:45:52
Hallo @boutrip,

irgendwie verstehe ich trotz Nachdenkens deine Frage nicht.

Warum sollte die Funktion in diesem Bereich nicht integrierbar sein? Und wie liest du das aus dem von dir zitierten Satz heraus?

Damit man den Grenzwert überhaupt betrachten kann, MUSS doch das Integral zumindest im Bereich BIS zu der betreffenden Stelle (bzw. bis "kurz vor" der betreffenden Stelle) existieren.

Ich vermute, dass du irgendetwas an dem Text hier falsch oder anders verstehst, als es gemeint ist. (Das ist kein Vorwurf an dich, ich selbst fand beim Lesen manche Formulierungen hier auch nicht optimal.)

Oder vielleicht verstehe auch einfach nur ICH dich nicht?

Könntest du vielleicht einfach nochmal genauer erklären, was du meinst?

Viele Grüße
Renate
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