\section{Stammfunktionen} \proplbl{stammfunktion} \setcounter{equation}{0} Sei $f:D\subset K^n\to K^{m\times n}$ ($\cong L(K^n, K^m)$) \begin{boldenvironment}[Frage] Existiert eine Funktion $F$ mit $F' = f$ auf $D$? \end{boldenvironment} \begin{*definition}[Stammfunktion, unbestimmtes Integral] $F: D\subset K^n\to K^m$ heißt \begriff{Stammfunktion} oder \emph{unbestimmtes} \begriff{Integral}[!unbestimmt] von $f$ auf $D$, falls $F$ \gls{diffbar} und $F'(x) = f(x)$ $\forall x\in D$ \end{*definition} \begin{proposition} \proplbl{stammfunktion_uneindeutigkeit_stammfunktion} Sei $F:D\subset K^n\to K^m$ Stammfunktion von $f:D\to K^{m\times n}$ und sei $D\subset K^n$ Gebiet\marginnote{Gebiet = offen \& zusammenhängend}. Dann: \begin{tabularx}{\linewidth}{X@{\ \ }c@{\ \ }X} \hfill$\tilde{F}$ ist Stammfunktion von $f$ auf $D$ & $\Leftrightarrow$ & $\tilde{F} = F + c$ für $c\in K^{m}$ \end{tabularx} Falls $f$ eine Stammfunktion besitzt, dann gibt es eine Menge von Stammfunktionen, die auf einem Gebiet bis auf eine additive Konstante eindeutig bestimmt sind. Für eine Stammfunktion schreibt man auch \begin{align*} \int f \D x \text{ bzw. } \int f(x) \D x \end{align*} Das Symbol steht für die \emph{Menge} aller Stammfunktionen. Man schreibt aber auch \begin{align*} F = \int f \D x, \end{align*} falls es \emph{eine} Stammfuznktion gleich $F$ gibt. Weiterhin verwendet man $\int f\D x$ auch als Bezeichnung für den \emph{Funktionswert} $F(x)$ einer Stammfunktion $F$ von $f$. Somit Vorsicht bei der Bezeichnung (vgl. Kontext). \end{proposition} \begin{proof} \marginnote{Intervall $I\subset\mathbb{R}$ sind zusammenhängend} \hspace*{0pt} \begin{itemize}[topsep=\dimexpr -\baselineskip / 2\relax] \item["`$\Leftarrow$"'] Offenbar $F$ \gls{diffbar} mit $\tilde{F}' = F' = f$ \item["`$\Rightarrow$"'] Offenbar $\tilde{F}'(x) - F'(x) = 0$ $\forall x\in D$ $\xRightarrow{\text{\propref{mittelwertsatz_ableitung_null_konstante_funktion}}}$ $\tilde{F}(x) - F(x) = c$ für ein $c\in K^m$ \end{itemize} \end{proof} Sei $f,g:D\subset K^n\to K^{m\times n}$, $D$ Gebiet, $c\in K$. Dann liefert \propref{stammfunktion_uneindeutigkeit_stammfunktion} und Differentiationsregeln \begin{equation}\label{xx} \begin{split} \int (f\pm g) \D x &= \int f \D x \pm \int g \D x \\ \int c f \D x &= c \int f \D x \end{split} \end{equation} Falls jeweils die rechte Seite existiert, d.h. $f\to \int f\D x$ ist in gewisser Weise linear. \\ Aussage bleibt richtig, wenn $D$ nur offen, wir beschränken uns meist aber auf Gebiete. Betrachte zunächst den \emph{Spezialfall} $n=m=1$. Sei $f:D\subset K\to K$, $D$ offen. Die Beispiele zur Differentiation liefern folgende Stammfunktionen \begin{minipage}{0.45\linewidth} \begin{flushleft} für $K=\mathbb{R}$ und $K = \mathbb{C}$: \end{flushleft} \vspace*{1mm} \renewcommand{\arraystretch}{1.2} \begin{tabularx}{\linewidth}{llX} \toprule $f(x)$ & \multicolumn{2}{l}{Stammfunktion $F(x)$} \\ \midrule $\sin x$ & $-\cos x$ & \\ $\cos x$ & $\sin x$ & \\ $e^x$ & $e^x$ & \\ $x^k$ & $\frac{1}{k+1} x^{k+1}$ & ($k\in\mathbb{Z}\setminus\{-1\})$ \\ \bottomrule \end{tabularx} \end{minipage} \hfill% \begin{minipage}{0.45\linewidth} \begin{flushleft} für $K=\mathbb{R}$: \end{flushleft} \vspace*{1mm} \renewcommand{\arraystretch}{1.2} \begin{tabularx}{\linewidth}{llX} \toprule $f(x)$ & \multicolumn{2}{l}{Stammfunktion $F(x)$} \\ \midrule $a^x$ & $\frac{a^x}{\ln a}$ & \\ $x^\alpha$ & $\frac{1}{\alpha + 1} x^{\alpha + 1}$ & ($x > 0$, $\alpha \in \mathbb{R}\setminus \{ - 1\})$ \\ $\frac{1}{x}$ & $\ln\vert x\vert$ & ($x\in\mathbb{R}\setminus \{0\}$) \\ $\frac{1}{1+x^2}$ & $\arctan x$ & \\ \bottomrule \end{tabularx} \end{minipage} \begin{boldenvironment}[Strategie] Rechenregeln für weitere Stammfunktionen \end{boldenvironment} \begin{proposition}[partielle Integration] \proplbl{stammfunktion_partielle_integration} Seien $f,g:D\subset K\to K$, $D$ Gebiet mit zugehörigen Stammfunktion $F, G:D\to K$. Falls $f\cdot G:D\to K$ Stammfunktion, dann auch $(F\cdot g):D\to K$ mit \begin{align} \proplbl{stammfunktion_partielle_integration_eq} \int F\cdot g \D x = F(x) G(x) - \int f\cdot G\D x \end{align} \end{proposition} \begin{boldenvironment}[Interpretation von \eqref{stammfunktion_partielle_integration_eq}] Es gibt eine Stammfunktion $\widehat{F\cdot g}$ von $F\cdot g$ und eine Stammfunktion $\widehat{f \cdot G}$ von $f\cdot G$ mit \begin{align} \tag{2'} \widehat{F\cdot g}(x) = F(x) G(x) - \widehat{f\cdot G}(x) \end{align} \end{boldenvironment} \begin{remark} \eqref{stammfunktion_partielle_integration_eq} kann als Umkehrung der Produktregel betrachtet werden. \end{remark} \begin{proof} Sei $H:D\to K$ Stammfunktion von $f\cdot G$ \\ $\Rightarrow$ $\frac{\D}{\D x} \left(F(x) G(x) - H(x)\right) = F'(x)\cdot G(x) + F(x) \cdot G'(x) - H'(x) = f(x)\cdot G(x) + F(x) \cdot g(x) - f(X)\cdot G(x) = F(x) \cdot g(x)$ \\ $\Rightarrow$ Behauptung \end{proof} \begin{example} \proplbl{stammfunktion_beispiel_lnx} Zeige $\int \ln x \D x = x\ln x - x$ auf $\mathbb{R}_{>0}$, denn \begin{align*} \int \ln x \D x = \int \underbrace{1\cdot \ln x}_{g\cdot F} \overset{\eqref{stammfunktion_partielle_integration_eq}}{=} x\cdot \ln x - \int x\cdot \frac{1}{x} \D x = x\cdot \ln x - x\end{align*} \end{example} \begin{example} Bestimme $\int x^2 e^x\D x$. Es ist \begin{align*} \int \underbrace{x^2 e^x}_{F\cdot g} \D x &\overset{\eqref{stammfunktion_partielle_integration_eq}}{=} x^2 e^x - \int \underbrace{2x\cdot e^x}_{f\cdot G} \\ \int \underbrace{2x\cdot e^x}_{\tilde{F}\cdot \tilde{g}} \D x &\overset{\eqref{stammfunktion_partielle_integration_eq}}{=} \underbrace{2x\cdot e^x}_{\tilde{F}\cdot \tilde{G}} - \int \underbrace{2 e^x}_{\tilde{f}\cdot \tilde{G}} \D x = 2 x e^x - 2 e^x \end{align*} $\Rightarrow$ $\int x^2 e^x \D x = x^2 e^x - 2 x e^x + 2 e^x = e^x (x^2 - 2x + 2)$ \end{example} \begin{proposition}[Integration durch Substitution] \proplbl{stammfunktion_substitution} Sei $f:D\subset K\to K$, $D$ Gebiet, mit Stammfunktion $F:D\to K$ und sei $\phi:D\to D$ \gls{diffbar}. Dann hat $f(\phi(.))\cdot \phi'(.):D\to K$ eine Stammfunktion mit \begin{align} \proplbl{stammfunktion_substitution_eq} \int f(\phi(x))\cdot\phi'(x)\D x &= F(\phi(x)) \end{align} \end{proposition} \begin{boldenvironment}[Interpretation] analog zu \eqref{stammfunktion_partielle_integration_eq} \end{boldenvironment} \begin{remark} \eqref{stammfunktion_substitution_eq} kann als Umkehrung der Kettenregel angesehen werden. \end{remark} \begin{proof} $F(\phi(.))$ ist nach der Kettenregel auf $D$ \gls{diffbar} mit \begin{align*} \frac{\D}{\D x} F(\phi(x)) &= F'(\phi(x)) \cdot \phi'(x) = f(\phi(x)) \cdot \phi'(x) \end{align*} \end{proof} \begin{example} Bestimme $\int \frac{\ln x}{x^2} \D x$ auf $\mathbb{R}_{>0}$: \begin{itemize} \item Offenbar ist $\frac{\ln x}{x^2} = - \frac{1}{x^2}\cdot \ln \frac{1}{x}$. \item Wähle $\phi(x):= \frac{1}{x}$, $f(y):= \ln y$\\ $\Rightarrow$ $\phi'(x) = -\frac{1}{x^2}$ $F(y) = y\cdot \ln y - y$ Stammfunktion von $f$ (siehe \propref{stammfunktion_beispiel_lnx}), \item $f(\phi(x))\cdot \phi'(x) = - \frac{1}{x^2} - \ln \frac{1}{x}$ \\ $\xRightarrow{\eqref{stammfunktion_substitution_eq}}$ $\displaystyle F(\phi(x)) = \frac{1}{x}\cdot \ln \frac{1}{x} - \frac{1}{x} = - \frac{1 + \ln x}{x} = \int \frac{\ln x}{x^2} \D x$ \end{itemize} \end{example} Weitere Regeln prüft man leicht durch Differentiation: \begin{proposition} Sei $f:I\subset \mathbb{R}\to \mathbb{R}$, $I$ offenes Intervall, $f(x)\neq 0$ auf $I$, dann gilt \begin{align} \int \frac{f'(x)}{f(x)} \D x = \ln \vert f(x) \vert \end{align} \end{proposition} \begin{example} Betrachte $f(x) = \tan x$ $\forall x\in I_k:= \left( - \frac{\pi}{2} + k\cdot \pi, \frac{\pi}{2} + k\cdot \pi\right)$, $k\in\mathbb{Z}$. Dann \begin{align*} \int \tan x \D x = \int \frac{\sin x}{\cos x} = - \int \frac{(\cos x)'}{\cos x} = - \ln \vert \cos x \vert \end{align*} \end{example} \begin{boldenvironment}[Wieder der allgemeine Fall] mit $f:D\subset K^n\to K^{m\times n}$ \end{boldenvironment} \begin{boldenvironment}[Reduktion] Nach \propref{richtungsableitung_vollstaendige_reduktion} kann man sich auf $m=1$ beschränken, d.h. falls \begin{align*} f &= \begin{pmatrix} f_{11} & \dotsc & f_{1k} \\ \vdots & & \vdots \\ f_{m1} & \dotsc & f_{mn} \end{pmatrix} \end{align*} reicht eine Untersuchung der Zeilen. \end{boldenvironment} \begin{boldenvironment}[Ziel] Reduktion auf $n=1$. Betrachte somit $f:D\subset K^n\to K^n$, $D$ Gebiet ($m=1$, $n$ beliebig). Sei $F:D\subset K^n\to K$ Stammfunktion von $f=(f_1, \dotsc, f_n)$ \begin{tabularx}{\linewidth}{r@{\ \ }X} $\xRightarrow{\ref{richtungsableitung_vollstaendige_reduktion}}$ & $F_{x_j}(x) = f_j(x)$ $\forall x\in D$, $j = 1,\dotsc, n$ \\ $\Rightarrow$ & $x_j \to F(x_1, \dotsc, x_j, \dotsc, x_n)$ ist Stammfunktion von $x_j \to f_j(x_1, \dotsc, x_j, \dotsc, x_n)$. Hierbei sind $x_i$ mit $i\neq j$ als Parameter anzusehen. \\ $\Rightarrow$ & Ist $x_j \to F_j(x_1, \dotsc, x_j, \dotsc, x_n)$ \emph{eine} Stammfunktion von $x_j\to f_j(x_1, \dotsc, x_j, \dotsc, x_n)$, dann erhält man \emph{alle} Stammfunktionen durch Addition einer Konstanten, die jedoch von den Parametern abhängen kann, d.h. durch \end{tabularx} { \stepcounter{equation} \begin{align}\proplbl{stammfunktion_reduktion_konstante} x_j\to F_j(x_1, \dotsc, x_j, \dotsc, x_n) + \phi_j(x_1, \dotsc, x_{j-1}, x_{j+1}, \dotsc, x_n) \end{align}} \vspace*{1mm} \begin{tabularx}{\linewidth}{r@{\ \ }X} \parbox{\widthof{$\xRightarrow{\ref{richtungsableitung_vollstaendige_reduktion}}$}}{\hfill} & mit beliebiger Funktion $\phi_j$. Schließlich muss gelten \end{tabularx} \begin{align} \proplbl{stammfunktion_reduktion_bedingung_konstante} \frac{\partial}{\partial x_j} \left( F_j(x_1, \dotsc, x_{j-1}, x_{j+1}, \dotsc, x_n)\right) &= f_i(x)\quad\forall i\neq j, j=1\dotsc, n \end{align} \end{boldenvironment} \begin{example} \proplbl{stammfunktion_beispiel_11} Betrachte $f:\mathbb{R}^2\to \mathbb{R}^2$ mit $f(x,y) = \begin{pmatrix} \alpha xy \\ x² + y^2 \end{pmatrix}$ ($\alpha$ ist Parameter) \begin{enumerate}[label={\arabic*)}] \item Suche eine Stammfunktion von $x\to f_1(x,y)$: \begin{align*} F(x,y) &= \underbrace{\frac{\alpha}{2} x^2 y}_{=F_1(x,y)} + \phi_1(y)\;\; \text{$\phi_1$ unbekannte Funktion} \end{align*} \item Suche eine Stammfunktion von $y\to f_2(x,y)$: \begin{align*} F(x,y) &= \underbrace{x^2 y + \frac{1}{3}y^3}_{F_2(x,y)} + \phi_2(x) \;\; \text{($\phi_2$ unbekannte Funktion)} \end{align*} \item $\xRightarrow{\eqref{stammfunktion_reduktion_bedingung_konstante}}$ $F_y(x,y) = \frac{\partial}{\partial y} \big(F_1(x,y) + \phi_1(y)\big) \overset{\eqref{stammfunktion_reduktion_bedingung_konstante}}{=} f_2(x,y)$, d.h. \begin{equation} \begin{split} \proplbl{stammfunktion_beispiel_reduktion_schritt1} \frac{\alpha}{2} x^2 + \phi_1'(y) &= x^2 + y^2 \\ \phi_1'(y) &= \left( 1 - \frac{\alpha}{2}\right) x^2 + y^2 \quad \forall x,y \end{split} \end{equation} Offenbar kann \eqref{stammfunktion_beispiel_reduktion_schritt1} nur gelten, falls rechte Seite unabhängig von $x$, d.h. für $\alpha=2$ (für $\alpha\neq 2$ existiert \emph{keine} Stammfunktion von $f$). \\ $\xRightarrow{\eqref{stammfunktion_beispiel_reduktion_schritt1}}$ $\phi_1(y) = \frac{1}{3} y^3 + c_1$ ($c_1$ Konstante) \item analog: $F_y(x,y) = \frac{\partial}{\partial x} \big(F_2(x,y) + \phi_2'(x) \big) = f_1(x, y)$ \\ $\Rightarrow$ $\phi_2'(x) = (\alpha - 2) xy \overset{\alpha = 2}{=} 0$ \\ $\Rightarrow$ $\phi_2(x) = c_2$ ($c_2$ Konstante) \end{enumerate} $\Rightarrow$ $F(x,y) = F_1(x,y) + \phi_1(y) = F_2(x,y) + \phi_2(x,y) = x^2 y + \frac{1}{3} y^3 + c$, $c\in \mathbb{R}$ beliebig, sind alle Stammfunktionen von $f$ (Probe!). \end{example} \begin{remark} \vspace*{0pt} \begin{itemize} \item Mit obiger Strategie wird die Bestimmung einer Stammfunktion auf $n=1$ zurückgeführt. \item Nicht alle Funktionen besitzen eine Stammfunktion \end{itemize} \end{remark} \begin{boldenvironment}[Ausblick] In \propref{section_taylor} formulieren wir eine notwendige Bedingung in \propref{taylor_anwendung_integrabilitaetsbedinung} ("`Integrabilitätsbedingung"') für die Existenz einer Stammfunktion (die in gewissen Mengen $D$ auch hinreichend ist): \begin{align*} \frac{\partial}{\partial x_j} f_i(x) &= \frac{\partial}{\partial x_i} f_j(x) \quad \forall i,j,x\in D \end{align*} \end{boldenvironment}