Summe unter Wurzel integrieren

Hi,
mich interessiert schon ein paar Tage lang wie man die Länge eines Graphen in einem bestimmten Intervall ausrechnet. Ich bin dabei auf folgene Formel gestossen:

L=\int_a^b \sqrt{1+f’(x)^{2}} dx

Bei Linearen Funktionen geht das ja noch ganz gut, aber wenn ich beispielsweise:

L=\int_0^1 \sqrt{1+(2x)^{2}} dx

ausrechnen will stehe ich bei der Integration vor einem Problem.

f(x)= \sqrt{x+y} \longrightarrow f’(x)=\frac{2}{3}(x+y)^{\frac{3}{2}}

Gilt leider nicht. (Blöde Frage, aber warum? Ich hab die Summe ja in Klammern)

In Wikipedia bin ich auf folgene Formel gestossen:

f(a,x)=\sqrt{a^2 + x^2} \longrightarrow f’(a,x)=\frac{x}{2}\sqrt{a^2 + x^2} + \frac{a^2}{2} \ln \left(x + \sqrt{a^2 + x^2} \right)

Wenn ich jetzt einsetze:
a=1
x=2x
dann bekomme ich 3,04 als Ergebnis. Das kann aber nie und nimmer die Strecke im Intervall [0,1] bei f(x)=x² sein.

Hoffe ihr könnt mir bei meinem Denkfehler helfen.

Grüße Daniel

Hallo,

mich interessiert schon ein paar Tage lang wie man die Länge
eines Graphen in einem bestimmten Intervall ausrechnet. Ich
bin dabei auf folgene Formel gestossen:

L=\int_a^b \sqrt{1+f’(x)^{2}} dx

Richtig, die Kurvenlänge des Graphen einer Funktion f(x) ist durch dieses Integral gegeben.

L=\int_0^1 \sqrt{1+(2x)^{2}}:dx

ausrechnen will stehe ich bei der Integration vor einem Problem.

… = \int_0^1 \sqrt{1 + 4 x^2}:dx

= 4 \int_0^1 \sqrt{\frac{1}{4} + x^2}:dx

= 4 \int_0^1 \sqrt{\Big(\frac{1}{2}\Big)^2 + x^2}:dx

= 4 \int_0^1 \sqrt{a^2 + x^2}:dx
\quad\textnormal{mit}\quad
a = \frac{1}{2}

In Wikipedia bin ich auf folgene Formel gestossen:

f(a,x)=\sqrt{a^2 + x^2} \longrightarrow
f’(a,x)=\frac{x}{2}\sqrt{a^2 + x^2} + \frac{a^2}{2} \ln
\left(x + \sqrt{a^2 + x^2} \right)

Da gehört ein F statt des f’ hin. Das Letztere ist die Stammfunktion des ersteren, nicht die Ableitung. Der Stammfunktion-Term stimmt.

Für a = 1/2 bekommst Du ungefähr 1.478… heraus. So lang ist das Bogenstück der Parabel zwischen (0 | 0) und (1 | 1).

Gruß
Martin

Hey Martin,

im Großem und Ganzem stimm ich zu, nur ein kleiner Rechenfehler:

… = \int_0^1 \sqrt{1 + 4 x^2}:dx

ist nicht

= 4 \int_0^1 \sqrt{\frac{1}{4} + x^2}:dx

sondern:

= 2 \int_0^1 \sqrt{\frac{1}{4} + x^2}:dx

Ändert aber nichts an den weiteren Rechnungen und Folgerungen.

Gruß René

Schonmal Danke für deine schnelle Antwort Martin!

Da gehört ein F statt des f’ hin. Das Letztere ist die
Stammfunktion des ersteren, nicht die Ableitung. Der
Stammfunktion-Term stimmt.

Ah ja, das habe ich übersehen, Danke!

Für a = 1/2 bekommst Du ungefähr 1.478… heraus. So lang ist
das Bogenstück der Parabel zwischen (0 | 0) und (1 | 1).

Beim ausrechnen bekomme ich mit

a=0.5
x=1

2.61… heraus.

Mein Rechenweg:

4(\frac{1}{2}\sqrt{1.25}+\frac{1}{8}\ln(1+\sqrt{1.25}))
\approx
4(0.56…+\frac{1}{8}(0.75…)))\approx 4(0.653…)\approx 2.61

Grüße Daniel

Nur zur Ergänzung
Hossa :smile:

mich interessiert schon ein paar Tage lang wie man die Länge
eines Graphen in einem bestimmten Intervall ausrechnet. Ich
bin dabei auf folgene Formel gestossen:

L=\int_a^b \sqrt{1+f’(x)^{2}} dx

Die Formel stimmt, sie folgt direkt aus dem Satz des Phythagoras. Nimm zwei Punkte auf dem Graphen der Funktion f(x), nennen wir sie (x1,y1) und (x2,y2). Dann kannst du das zugehörige Steigungsdreieck zeichnen. Die beiden Katheten haben die Länge:

\Delta x=x_2-x_1\quad;\quad\Delta y=y_2-y_1

Die Länge der Hypothenuse kann als grobe Näherung für die Länge des Graphen zwischen diesen beiden Punkten angenommen werden. Nach Phythagoras gilt für die Länge der Hypothenuse im Steigungsdreieck:

(\Delta s)^2=(\Delta x)^2+(\Delta y)^2

Das kann man ein wenig umformen:

\frac{(\Delta s)^2}{(\Delta x)^2} =1+\frac{(\Delta y)^2}{(\Delta x)^2}\quad\Longrightarrow\quad
\frac{\Delta s}{\Delta x} = \sqrt{1+\left(\frac{\Delta y}{\Delta x}\right)^2}

Die grobe Näherung der Hypothenusenlänge als Länge der Kurve wird umso genauer, je kleiner das Intervall (Delta x) gemacht wird. Im Grenzübergang (Delta x) gegen Null wird sie exakt und es gilt:

\frac{ds}{dx} = \sqrt{1+\left(\frac{dy}{dx}\right)^2}\quad\Longrightarrow\quad
ds=\sqrt{1+\left(\frac{dy}{dx}\right)^2},dx

Also gilt für die Länge der Kurve s zwischen den beiden Punkten x1 und x2 schießlich:

L = \int_{x_1}^{x_2}\sqrt{1+[f’(x)]^2},dx

Bei Linearen Funktionen geht das ja noch ganz gut, aber wenn
ich beispielsweise:

L=\int_0^1 \sqrt{1+(2x)^{2}} dx

ausrechnen will stehe ich bei der Integration vor einem
Problem.

Bei solchen reinen Rechenaufgaben hilft eine der besten Seiten im Internet schnell weiter:

http:\www.wolframalpha.com

Einfach die Rechenaufgabe eingeben (ohne Anführungszeichen):

„integrate sqrt(1+4x^2)“

Auf Wunsch werden sogar die Zwischenschritte mit angezeigt (rechts oben im Ergebnis klicken)

Viele Grüße

Hase

Hallo.

Bei Linearen Funktionen geht das ja noch ganz gut, aber wenn
ich beispielsweise:

L=\int_0^1 \sqrt{1+(2x)^{2}} dx

ausrechnen will stehe ich bei der Integration vor einem
Problem.

Den Loesungsweg habe ich zufaellig im vorangehenden Posting unter der
Ueberschrift

„Re^4: Integralrechnung - f(x) und F(X)“

schon skizziert. Vielleicht hilft Dir das ja weiter.

Liebe Gruesse,

TN

Hallo TheBozz,

args, der Fehlerteufel lauert überall. Die Zahl vor dem Integral muss natürlich eine 2 sein. Die, die auf meinem Notizzettelgekritzel auch da stand. War also nicht mal der Rechen- sondern der Zu-doof-zum-Abschreiben-Teufel :-S.

Danke für die Berichtigung.

Gruß
Martin