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Anwendungsgebiete der Integralrechnung

Viele, die Integralrechnung betreiben, fragen sich manchmal: Wozu? Aber wären Integral- und auch Differentialrechnung keine wichtigen Teilgebiete der Mathematik, so würden sie doch nicht behandelt werden, oder? In Mathematikbüchern finden sich zwar einige Anwendungsaufgaben, doch meistens wird einfach nur integriert und abgeleitet.

Auf den folgenden Seiten versuchen wir anschaulich zu zeigen, in welchen Gebieten man Integralrechnung einsetzt.

Die Fläche zwischen zwei Kurven ausrechnen. Ein Klassiker, der in jedem Gymnasium durchgenommen wird. Aber was ist so interessant an dieser Fläche?

Erst einmal muss gesagt werden, dass Kurven viele Formen annehmen können. Man könnte also sagen, dass die Welt – also die Objekte, die um uns herum zu finden sind – in ihrer Form durch Mathematik beschrieben werden könnten. Dies wären in den meisten Fällen allerdings keine einfachen Funktionen mehr, sondern vielmehr hochkomplexe und ellenlange. Ein Beispiel für solch eine komplizierte Funktion kommt direkt aus der Comicwelt: die Batkurve.

Die Batkurve (batcurve auf englisch)

Nun scheint die Frage nach der Fläche dieser außergewöhnlichen Kurve sogar für bekennende Batman-Fans relativ uninteressant zu sein. Doch die Batkurve beweist, dass der Komplexität keine Grenzen gesetzt sind. Ingenieure müssen für ihre Konstruktionen die Flächen von Formen genauso berechnen, wie Hersteller von Produkten wissen müssen, wie viel von welchen Materialien gebraucht wird. Dies kann Integralrechnung leisten.

Mindestens genauso wichtig wie Flächen ist die Berechnung von Volumina. Da die Welt um uns herum nicht flach wie eine Flunder, sondern 3-dimensional ist, kommt es im reelen Leben häufig vor, dass wir das Volumen von Körpern berechnen müssen. Dies sind allerdings keine gewöhnlichen Körper, sondern sie entstehen, indem eine Fläche um 360° gedreht wird. Deshalb werden sie auch Rotationskörper genannt. Rotationskörper in der Mathematik entstehen ähnlich wie Figuren auf einer Drehbank. Erstaunlich viele Objekte können auf diese Weise hergestellt werden:

An einer Drehbank werden Objekte hergestellt, die mathematisch als Rotationskörper beschrieben werden können
An einer Drehbank werden Objekte hergestellt, die mathematisch als Rotationskörper beschrieben werden können
© wwarby auf flickr
Verschiedene Rotationskörper, die an einer Drehbank hergestellt wurden
Verschiedene Rotationskörper, die an einer Drehbank hergestellt wurden
© wwarby auf flickr

Neben Schüsseln, Schalen und Pfeffermühlen sind aber auch noch andere Objekte Rotationskörper. Die Getriebewelle im Auto kann beispielsweise mathematisch als Rotationskörper beschrieben werden. Die Berechnung des Volumens ist auf ingenieurwissenschaftlicher und wirtschaftlicher Sicht von großer Bedeutung, denn Gewicht, Stabilität und auch der Preis hängen von Beschaffenheit und letztlich auch dem Volumen der Objekte ab.

Natürlich wird in den Naturwissenschaften viel gerechnet, vor allem in der Physik. Deshalb ist es auch nicht erstaunlich, dass die Integralrechnung grade dort ein unerlässlicher Begleiter ist. Tatsächlich gibt es für die Integralrechnung allein in der Physik so viele Anwendungsgebiete, dass hier nur einige (sehr) wenige Beispiele gebracht werden können.

So erstaunt es auch nicht, dass die Erfindung der Integralrechnung Gottfried Wilhelm Leibniz und Sir Isaac Newton zugeschrieben wird – beide waren Physiker. Was ist nun aber für Physiker so spannend an der Fläche unter einer Kurve? Die Frage ist für alle diejenigen, die einen Physik LK besucht haben leicht zu beantworten: Hat man eine Funktion, welche den zurückgelegten Weg eines Objekts beschreibt, dann ist die Fläche unter der Kurve die Geschwindigkeit des Objekts. Das Integral der Beschleunigungsfunktion wiederum ist die Funktion für die Geschwindigkeit. Andere physikalische Größen haben einen ähnlichen Zusammenhang. Alles ergibt ein elegantes Gesamtbild.

CERN / Atlas Beam Pipe Installation
CERN / Atlas Beam Pipe Installation

Aber nicht nur für Physiker und Ingenieure steht Integralrechnung an der Tagesordnung. Alle Wissenschaften, die Mathematik als ihre beschreibende Sprache haben, finden Anwendungsgebiete in der Integralrechnung. Sogar die Wirtschaft. Denn auch die Wirtschaftswissenschaften kennen viele Modelle, um die komplexen wirtschaftlichen Theorien und Modelle mathematisch zu beschreiben.