Integralrechnung – Flächenberechnung eines Parabelsegments mit der Streifenmethode

Die Streifenmethode des Archimedes

Die Grundidee ist verblüffend einfach: Du teilst die Fläche unter einer Kurve in viele vertikale Rechteckstreifen auf und berechnest deren Gesamtfläche. Am Beispiel der Parabel f$x$ = x² im Intervall [0;1] wird das Prinzip besonders deutlich.

Zwei verschiedene Näherungen helfen dir dabei, die echte Fläche einzugrenzen. Bei der Untersumme liegen alle Rechtecke vollständig unter der Kurve - das ergibt eine untere Schätzung. Die Obersumme dagegen nutzt Rechtecke, die über die Kurve hinausragen und liefert eine obere Schätzung.

Der Trick für mehr Genauigkeit liegt in der Anzahl der Streifen. Je mehr Streifen du verwendest, desto genauer wird deine Näherung. Mit nur wenigen Streifen ist die Differenz zwischen Unter- und Obersumme noch groß, aber sie schrumpft mit jedem zusätzlichen Streifen.

Merktipp: Alle Rechteckstreifen haben die gleiche Breite 1/n, aber unterschiedliche Höhen, die sich aus den Funktionswerten ergeben.

Die konkreten Formeln für unser Parabelbeispiel lauten:

• Untersumme: $U_n = \frac{1}{n} \cdot [(\frac{0}{n})^2 + (\frac{1}{n})^2 + ... + (\frac{n-1}{n})^2]$
• Obersumme: $O_n = \frac{1}{n} \cdot [(\frac{1}{n})^2 + (\frac{2}{n})^2 + ... + 1^2]$

Der entscheidende Schritt kommt jetzt: Wenn n gegen unendlich läuft, konvergieren beide Summen gegen denselben Wert. Mithilfe der Summenformel $1^2 + 2^2 + ... + m^2 = \frac{m(m+1)(2m+1)}{6}$ kannst du zeigen, dass sowohl $\lim_{n \to \infty} U_n$ als auch $\lim_{n \to \infty} O_n$ genau $\frac{1}{3}$ ergeben.

Das Ergebnis ist beeindruckend: Die Fläche unter der Parabel f$x$ = x² zwischen 0 und 1 beträgt exakt $\frac{1}{3}$ - ein Resultat, das du später in der Integralrechnung wiederfinden wirst.