Motivation

Axiomatischer Zugang

Es ist nicht einfach, den Begriff des Flächeninhaltes mathematisch präzise zu fassen. Im Laufe der Zeit wurden dafür verschiedene Konzepte entwickelt. Für die meisten Anwendungen sind deren Details jedoch unerheblich, da sie unter anderem auf der Klasse der stetigen Funktionen übereinstimmen. Im Folgenden werden einige Eigenschaften des Integrals aufgelistet, die oben motiviert wurden und unabhängig von der genauen Konstruktion für jedes Integral gelten. Außerdem legen sie das Integral stetiger Funktionen eindeutig fest.

Es seien ${\displaystyle a<b}$ reelle Zahlen, und es sei ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$ ein Vektorraum von Funktionen ${\displaystyle [a,b]\to \mathbb {R} }$, der die stetigen Funktionen umfasst. Funktionen in ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$ werden „integrierbar“ genannt. Dann ist ein Integral eine Abbildung

${\displaystyle {\mathcal {F}}\to \mathbb {R} ,}$

geschrieben

${\displaystyle f\mapsto \int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x,}$

mit den folgenden Eigenschaften:

• Linearität: Für Funktionen ${\displaystyle f,g\in {\mathcal {F}}}$ und ${\displaystyle \lambda \in \mathbb {R} }$ gilt
  • ${\displaystyle \int _{a}^{b}(f(x)+g(x))\,\mathrm {d} x=\int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x+\int _{a}^{b}g(x)\,\mathrm {d} x}$,
  • ${\displaystyle \int _{a}^{b}\lambda f(x)\,\mathrm {d} x=\lambda \cdot \int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x}$.
• Monotonie: Ist ${\displaystyle f(x)\geq 0}$ für alle ${\displaystyle x\in [a,b]}$, so ist

  ${\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x\geq 0.}$

• Integral der charakteristischen Funktion eines Intervalls: Ist ${\displaystyle I\subseteq [a,b]}$ ein Intervall und ist

${\displaystyle \chi _{I}(x)={\begin{cases}1\ ,&\mathrm {falls} \ x\in I\ ,\\0\ ,&\mathrm {falls} \ x\notin I\ ,\end{cases}}}$

so ist

${\displaystyle \int _{a}^{b}\chi _{I}(x)\,\mathrm {d} x}$

gleich der Länge des Intervalls ${\displaystyle I}$.

Bezeichnungen

• Die reellen Zahlen ${\displaystyle a}$ und ${\displaystyle b}$ heißen Integrationsgrenzen. Sie können oberhalb und unterhalb des Integralzeichens oder seitlich vom Integralzeichen geschrieben werden:

${\displaystyle {\textstyle \int \limits _{a}^{b}}f(x)\,{\rm {d}}x}$     oder     ${\displaystyle \int \nolimits _{a}^{b}f(x)\,{\rm {d}}x}$

• Die zu integrierende Funktion ${\displaystyle f}$ heißt Integrand.
• Die Variable ${\displaystyle x}$ heißt Integrationsvariable. Ist ${\displaystyle x}$ die Integrationsvariable, so spricht man auch von Integration über ${\displaystyle x}$. Die Integrationsvariable ist austauschbar, statt

${\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x}$

kann man genauso gut

${\displaystyle \int _{a}^{b}f(t)\,\mathrm {d} t}$ oder ${\displaystyle \int _{a}^{b}f(\xi )\,\mathrm {d} \xi }$

schreiben. In dem obigen Beispiel führt es zu unerwünschten Mehrdeutigkeiten, wenn man die Buchstaben ${\displaystyle a}$ oder ${\displaystyle b}$ verwendet, da sie bereits als Bezeichner für die Integrationsgrenzen fungieren. Daher sollte man darauf achten, dass das für die Integrationsvariable verwendete Zeichen nicht schon mit einer anderen Bedeutung belegt ist.

• Der Bestandteil ${\displaystyle \mathrm {d} x}$ wird Differential genannt, hat aber in diesem Kontext meist nur symbolische Bedeutung. Daher wird hier nicht versucht, ihn zu definieren. Am Differential liest man die Integrationsvariable ab.

Herkunft der Notation

Die symbolische Schreibweise von Integralen geht auf den Miterstbeschreiber der Differential- und Integralrechnung, Gottfried Wilhelm Leibniz, zurück. Das Integralzeichen ∫ ist aus dem Buchstaben langes s (ſ) für lateinisch summa abgeleitet. Die multiplikativ zu lesende Notation ${\displaystyle f(x)\;\mathrm {d} x}$ deutet an, wie sich das Integral – dem Riemann-Integral folgend – aus Streifen der Höhe ${\displaystyle f(x)}$ und der infinitesimalen Breite ${\displaystyle \mathrm {d} x}$ zusammensetzt.

Alternative Schreibweise in der Physik

In der theoretischen Physik wird aus pragmatischen Gründen oft eine leicht andere Schreibweise für Integrale benutzt (vor allem bei Mehrfachintegralen). Dort wird statt

${\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x}$

oft

${\displaystyle \int _{a}^{b}\mathrm {d} xf(x)}$

geschrieben, manchmal werden an verschiedenen Stellen sogar beide Schreibweisen benutzt.

Die zweite Schreibweise hat den Nachteil, dass die zu integrierende Funktion ${\displaystyle f(x)}$ nicht mehr durch ${\displaystyle \textstyle \int _{a}^{b}}$ und ${\displaystyle \mathrm {d} x}$ eingeklammert wird. Zudem können Missverständnisse zum Beispiel beim Lebesgue-Integral auftreten. Die alternative Schreibweise hat jedoch auch einige Vorzüge:

• Der Ausdruck ${\displaystyle \textstyle \int _{a}^{b}\mathrm {d} x}$ hebt hervor, dass das Integral ein linearer Operator ist, der auf alles rechts von ihm wirkt.
• Oft tauchen in der Physik Integrale auf, bei denen die zu integrierende Funktion mehrere Zeilen lang ist, oder es wird über mehrere Unbekannte ${\displaystyle x_{1},x_{2},\dotsc ,x_{n}}$ integriert. Dann weiß man bei der Schreibweise ${\displaystyle \textstyle \int _{a}^{b}\mathrm {d} xf(x)}$ schon zu Beginn des Integrals, welche Variablen überhaupt und über welche Grenzen integriert werden. Ferner ist dann die Zuweisung von Variablen zu Grenzen einfacher.
• Die Kommutativität der Produkte bei den in der Riemann’schen Näherung auftretenden Summanden ${\displaystyle \Delta x_{n}\cdot f(x_{n})}$ wird betont.

Beispiel:

${\displaystyle \int _{a_{1}}^{a_{2}}\mathrm {d} t\int _{b_{1}}^{b_{2}}\mathrm {d} x_{1}\int _{c_{1}}^{c_{2}}\mathrm {d} x_{2}\int _{d_{1}}^{d_{2}}\mathrm {d} x_{3}\,f(x_{1},x_{2},x_{3},t)}$

statt

${\displaystyle \int _{a_{1}}^{a_{2}}\int _{b_{1}}^{b_{2}}\int _{c_{1}}^{c_{2}}\int _{d_{1}}^{d_{2}}f(x_{1},x_{2},x_{3},t)\,\mathrm {d} x_{3}\mathrm {d} x_{2}\mathrm {d} x_{1}\mathrm {d} t}$

Einfache Folgerungen aus den Axiomen

• Ist ${\displaystyle f(x)\leq g(x)}$ für alle ${\displaystyle a\leq x\leq b}$, so ist

${\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x\leq \int _{a}^{b}g(x)\,\mathrm {d} x.}$

• Bezeichnet man mit ${\displaystyle \|f\|_{\infty }}$ die Supremumsnorm von ${\displaystyle f}$ auf ${\displaystyle [a,b]}$, so gilt

${\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x\right|\leq (b-a)\cdot \|f\|_{\infty }.}$

• Ist ${\displaystyle |f(x)-g(x)|<\varepsilon }$ für alle ${\displaystyle a\leq x\leq b}$ mit einer festen Zahl ${\displaystyle \varepsilon >0}$, so gilt

${\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x-\int _{a}^{b}g(x)\,\mathrm {d} x\right|\leq (b-a)\cdot \varepsilon .}$

Daraus folgt: Ist ${\displaystyle (f_{n})_{n\in \mathbb {N} }}$ eine Folge von integrierbaren Funktionen, die gleichmäßig gegen eine (integrierbare) Funktion ${\displaystyle f}$ konvergiert, so ist

${\displaystyle \lim _{n\to \infty }\int _{a}^{b}f_{n}(x)\,\mathrm {d} x=\int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x.}$

Mit anderen Worten: Das Integral ist ein stetiges Funktional für die Supremumsnorm.

• Integrale von Treppenfunktionen: Ist ${\displaystyle f}$ eine Treppenfunktion, das heißt, ist ${\displaystyle [a,b]}$ eine disjunkte Vereinigung von Intervallen ${\displaystyle I_{k}}$ der Längen ${\displaystyle L_{k}}$, sodass ${\displaystyle f}$ auf ${\displaystyle I_{k}}$ konstant mit Wert ${\displaystyle c_{k}}$ ist, so gilt:

${\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x=\sum _{k=1}^{n}L_{k}\cdot c_{k}.}$

Das Integral ist somit gleich der Summe der orientierten Flächeninhalte der Rechtecke zwischen dem Funktionsgraphen von ${\displaystyle f}$ und der ${\displaystyle x}$-Achse.

Eigenschaften von Stammfunktionen

Man kann zu einer Stammfunktion eine Konstante addieren und erhält wieder eine Stammfunktion: Ist ${\displaystyle F}$ eine Stammfunktion zu einer Funktion ${\displaystyle f}$ und ist ${\displaystyle c\in \mathbb {R} }$ eine Konstante, so ist

${\displaystyle (F+c)'=F\!\,'+0=F'=f.}$

Zwei Stammfunktionen derselben auf einem Intervall definierten Funktion unterscheiden sich um eine Konstante: Sind ${\displaystyle F}$ und ${\displaystyle G}$ Stammfunktionen einer Funktion ${\displaystyle f}$, so ist

${\displaystyle (F-G)\!\,'=F'-G'=f-f=0,}$

also ist die Differenz ${\displaystyle F-G}$ eine Konstante. Ist der Definitionsbereich von ${\displaystyle f}$ kein Intervall, so ist die Differenz zweier Stammfunktionen lediglich lokal konstant.

Unbestimmtes Integral

Eine Stammfunktion wird auch als unbestimmtes Integral von ${\displaystyle f(x)}$ bezeichnet – manchmal ist damit aber auch die Menge aller Stammfunktionen gemeint. Ist ${\displaystyle F(x)}$ eine Stammfunktion, so schreibt man häufig unpräzise

${\displaystyle \int f(x)\,\mathrm {d} x=F(x)+C,}$

um anzudeuten, dass jede Stammfunktion von ${\displaystyle f}$ die Form ${\displaystyle F(x)+C}$ mit einer Konstante ${\displaystyle C}$ hat. Die Konstante ${\displaystyle C}$ heißt Integrationskonstante.

Man beachte, dass die Schreibweise

${\displaystyle \int f(x)\,\mathrm {d} x}$

jedoch auch häufig in Formeln benutzt wird, um anzudeuten, dass Gleichungen für beliebige, konsistent gewählte Grenzen gelten; beispielsweise ist mit

${\displaystyle \int cf(x)\,\mathrm {d} x=c\int f(x)\,\mathrm {d} x}$

gemeint, dass

${\displaystyle \int _{a}^{b}cf(x)\,\mathrm {d} x=c\int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x}$

für beliebige ${\displaystyle a,b}$ gilt.

Bestimmung von Stammfunktionen

Siehe dazu den Artikel: Tabelle von Ableitungs- und Stammfunktionen oder unbestimmte Integrale in der Formelsammlung Mathematik.

Im Gegensatz zur Ableitungsfunktion ist die explizite Berechnung einer Stammfunktion bei vielen Funktionen sehr schwierig oder nicht möglich. Oft schlägt man Integrale deshalb in Tabellenwerken (z. B. einer Integraltafel) nach. Zur manuellen Berechnung einer Stammfunktion ist häufig die geschickte Anwendung der folgenden Standardtechniken hilfreich.

Mehrfache Integration

Soll eine Funktion ${\displaystyle f}$ mehrfach integriert werden, liefert die Cauchy-Formel für mehrfache Integration für das ${\displaystyle n}$-te iterierte Integral von ${\displaystyle f}$ am Punkt ${\displaystyle x}$

${\displaystyle I^{n}(x)=\int _{a}^{x}\int _{a}^{\sigma _{1}}\cdots \int _{a}^{\sigma _{n-1}}f(\sigma _{n})\,\mathrm {d} \sigma _{n}\cdots \,\mathrm {d} \sigma _{2}\,\mathrm {d} \sigma _{1}}$

das folgende Integral:

${\displaystyle I^{n}(x)={\frac {1}{(n-1)!}}\int _{a}^{x}\left(x-t\right)^{n-1}f(t)\,\mathrm {d} t}$.

Mittelwerte stetiger Funktionen

Um den Mittelwert ${\displaystyle m}$ einer gegebenen stetigen Funktion ${\displaystyle f}$ auf einem Intervall ${\displaystyle [a,b]}$ zu berechnen, benutzt man die Formel

${\displaystyle m={\frac {1}{b-a}}\int _{a}^{b}f(x)\mathrm {d} x.}$

Da diese Definition für Treppenfunktionen mit dem üblichen Mittelwertbegriff übereinstimmt, ist diese Verallgemeinerung sinnvoll.

Der Mittelwertsatz der Integralrechnung besagt, dass dieser Mittelwert von einer stetigen Funktion im Intervall ${\displaystyle [a,b]}$ auch tatsächlich angenommen wird.

Beispiel für den Integralbegriff in der Physik

Ein physikalisches Phänomen, an dem der Integralbegriff erklärt werden kann, ist der freie Fall eines Körpers im Schwerefeld der Erde. Die Beschleunigung ${\displaystyle g}$ des freien Falls in Mitteleuropa beträgt ca. 9,81 m/s². Die Geschwindigkeit ${\displaystyle v}$ eines Körpers zur Zeit ${\displaystyle t}$ lässt sich daher durch die Formel

${\displaystyle v=g\cdot t}$

ausdrücken.

Nun soll aber die Wegstrecke ${\displaystyle l}$ berechnet werden, die der fallende Körper innerhalb einer bestimmten Zeit ${\displaystyle T}$ zurücklegt. Das Problem hierbei ist, dass die Geschwindigkeit ${\displaystyle v}$ des Körpers mit der Zeit zunimmt. Um das Problem zu lösen, nimmt man an, dass für eine kurze Zeitspanne ${\displaystyle \Delta t}$ die Geschwindigkeit ${\displaystyle v}$, die sich aus der Zeit ${\displaystyle g\cdot t}$ ergibt, konstant bleibt.

Die Zunahme der Wegstrecke innerhalb des kurzen Zeitraums ${\displaystyle \Delta t}$ beträgt daher

${\displaystyle \Delta l=g\cdot t\,\cdot \Delta t}$.

Die gesamte Wegstrecke lässt sich daher als

${\displaystyle l=\sum \left(g\cdot t\,\cdot \Delta t\right)}$

ausdrücken. Wenn man nun die Zeitdifferenz ${\displaystyle \Delta t}$ gegen Null streben lässt, erhält man

${\displaystyle l=\lim _{\Delta t\to 0}\left(\sum \left(g\cdot t\,\cdot \Delta t\right)\right)=\int _{0}^{T}\left(g\cdot t\;\mathrm {d} t\,\right).}$

Das Integral lässt sich analytisch angeben mit

${\displaystyle l=\,{\frac {g}{2}}\cdot T^{2}.}$

Die allgemeine Lösung führt zur Bewegungsgleichung des im konstanten Schwerefeld fallenden Körpers:

${\displaystyle l={\frac {g}{2}}\cdot t^{2}}$

Weiter lässt sich aus dieser Bewegungsgleichung durch Differenzieren nach der Zeit die Gleichung für die Geschwindigkeit:

${\displaystyle v=g\cdot t}$

und durch nochmaliges Differenzieren für die Beschleunigung herleiten:

${\displaystyle a=g}$

Weitere einfache Beispiele sind:

• Die Energie ist das Integral der Leistung über die Zeit.
• Die elektrische Ladung eines Kondensators ist das Integral des durch ihn fließenden Stromes über die Zeit.
• Das Integral des Produktes der spektralen Bestrahlungsstärke (E_e(ν) in W/m²Hz) mit der spektralen Hellempfindlichkeitskurve des Auges liefert die Beleuchtungsstärke (E in Lux = Lumen/m²).
• Das Integral der Strömungsgeschwindigkeit (Längskomponente) über den Querschnitt eines Rohres liefert den gesamten Volumenstrom durch das Rohr (weitere mehrdimensionale Integrale siehe unten).

Cauchy-Integral

Eine Regelfunktion ist eine Funktion, die sich gleichmäßig durch Treppenfunktionen approximieren lässt. Aufgrund der erwähnten Kompatibilität des Integrals mit gleichmäßigen Limites kann man für eine Regelfunktion ${\displaystyle f}$, die gleichmäßiger Limes einer Folge ${\displaystyle t_{n}}$ von Treppenfunktionen ist, das Integral definieren als

${\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x=\lim _{n\to \infty }\int _{a}^{b}t_{n}(x)\,\mathrm {d} x,}$

wobei das Integral für Treppenfunktionen durch die oben angegebene Formel definiert wird.

Die Klasse der Regelfunktionen umfasst alle stetigen Funktionen und alle monotonen Funktionen, ebenso alle Funktionen ${\displaystyle f}$, für die sich ${\displaystyle [a,b]}$ in endlich viele Intervalle ${\displaystyle I_{k}}$ unterteilen lässt, sodass die Einschränkung von ${\displaystyle f}$ auf ${\displaystyle I_{k}}$ eine stetige oder monotone Funktion auf dem abgeschlossenen Intervall ${\displaystyle {\bar {I}}_{k}}$ ist, d. h. alle stückweise stetigen Funktionen. Sie umfasst außerdem Funktionen von beschränkter Variation, da sich so eine Funktion als Differenz zweier monoton steigender Funktionen darstellen lässt. Für viele praktische Zwecke ist diese Integralkonstruktion völlig ausreichend.

Es gibt auch stetige Funktionen mit unendlicher Variation wie z. B. die durch ${\displaystyle 0\mapsto 0}$ und ${\displaystyle t\mapsto t\cos {\tfrac {\pi /2}{t}}}$ für ${\displaystyle 0<t\leq 1}$ auf dem Intervall ${\displaystyle [0,\ 1]}$ definierte Funktion (siehe Variation).

Riemann-Integral

Ein Ansatz zur Berechnung des Integrals nach Riemann ist die Approximation der zu integrierenden Funktion durch eine Treppenfunktion; allerdings nicht durch gleichmäßige Approximation der Funktion selbst, sondern durch Approximation des Flächeninhalts durch Rechtecksummen.

Die Fläche wird durch die Summe der Flächeninhalte der einzelnen Rechtecke unter den einzelnen „Treppenstufen“ angenähert. Zu jeder Zerlegung des Integrationsintervalls kann man dazu einen beliebigen Funktionswert innerhalb jedes Teilintervalls als Höhe der Stufe wählen.

Dies sind die nach dem deutschen Mathematiker Bernhard Riemann bezeichneten Riemann-Summen. Wählt man in jedem Teilintervall der Zerlegung gerade das Supremum der Funktion als Höhe des Rechtecks, so ergibt sich die Obersumme, mit dem Infimum die Untersumme.

Das Riemannsche Integral lässt sich mit Hilfe von Ober- und Untersummen definieren, siehe Riemannsches Integral. Konvergieren Ober- und Untersummen gegen den gleichen Grenzwert, so ist dieser Grenzwert das Integral im Sinne von Riemann. Integrierbar in diesem Sinne sind z. B. sämtliche Funktionen, für die das Cauchy-Integral existiert.

Das Riemann-Integral existiert z. B. nicht für die Indikatorfunktion der rationalen Zahlen im Intervall ${\displaystyle [0,\ 1]}$, d. h. für die Dirichlet-Funktion. Deshalb wurden erweiterte Integralbegriffe von Henri Léon Lebesgue (Lebesgue-Integral), Thomas Jean Stieltjes (Stieltjesintegral) und Alfréd Haar eingeführt, die für stetige Integranden das Riemann-Integral reproduzieren.

Stieltjes-Integral

Beim Stieltjes-Integral geht man von monotonen Funktionen ${\displaystyle g}$ aus, oder von solchen mit endlicher Variation, das sind Differenzen von zwei monotonen Funktionen, und definiert für stetige Funktionen ${\displaystyle f}$ Riemann-Stieltjes’sche Summen als

${\displaystyle \sum _{i=0}^{n-1}\,f(x_{i})\,\{g(x_{i+1})-g(x_{i})\}.}$

Durch Limesbildung in der üblichen Weise erhält man dann das sogenannte Riemann-Stieltjes-Integral ${\displaystyle \textstyle \int _{I}\,f\,\mathrm {d} g}$.

Solche Integrale sind auch dann definiert, wenn die Funktion ${\displaystyle g}$ nicht differenzierbar ist (andernfalls gilt ${\displaystyle \mathrm {d} g(x)=g'(x)\,\mathrm {d} x}$). Ein bekanntes Gegenbeispiel ist die sogenannte Heaviside-Funktion ${\displaystyle \Theta }$, deren Wert gleich null für negative Argumente, eins für positive Argumente und z. B. ${\displaystyle \textstyle {\frac {1}{2}}}$ an der Stelle ${\displaystyle 0}$ ist. Man schreibt, für ${\displaystyle g=\Theta }$, ${\displaystyle \mathrm {d} g(x)=\delta (x)\mathrm {d} x}$ und erhält so die „verallgemeinerte Funktion“ ${\displaystyle \delta }$, das sogenannte Diracmaß, als ein nur im Punkt ${\displaystyle 0}$ definiertes Maß.

Lebesgue-Integral

Einen moderneren und – in vielerlei Hinsicht – besseren Integralbegriff als den des Riemann’schen Integrals liefert das Lebesgue-Integral. Es erlaubt zum Beispiel die Integration über allgemeine Maßräume. Das bedeutet, dass man Mengen ein Maß zuordnen kann, das nicht notwendig mit ihrer geometrischen Länge bzw. ihrem Rauminhalt übereinstimmen muss, so zum Beispiel Wahrscheinlichkeitsmaße in der Wahrscheinlichkeitstheorie. Das Maß, das dem intuitiven Längen- bzw. Volumenbegriff entspricht, ist das Lebesgue-Maß. In der Regel wird das Integral über dieses Maß als Lebesgue-Integral bezeichnet. Man kann beweisen, dass für jede Funktion, die über einem kompakten Intervall Riemann-integrierbar ist, auch das entsprechende Lebesgue-Integral existiert und die Werte beider Integrale übereinstimmen. Umgekehrt sind aber nicht alle Lebesgue-integrierbaren Funktionen auch Riemann-integrierbar. Das bekannteste Beispiel dafür ist die Dirichlet-Funktion, also die Funktion, die für rationale Zahlen den Wert Eins, aber für irrationale Zahlen den Wert Null hat. Neben der größeren Klasse an integrierbaren Funktionen zeichnet sich das Lebesgue-Integral gegenüber dem Riemann-Integral vor allem durch die besseren Konvergenzsätze aus (Satz von der monotonen Konvergenz, Satz von der majorisierten Konvergenz) und die besseren Eigenschaften der durch das Lebesgue-Integral normierten Funktionenräume (etwa Vollständigkeit).

In der modernen Mathematik versteht man unter Integral oder Integrationstheorie häufig den lebesgueschen Integralbegriff.

Numerische Verfahren

Oft ist es schwierig oder nicht möglich, eine Stammfunktion explizit anzugeben. Allerdings reicht es in vielen Fällen auch aus, das bestimmte Integral näherungsweise zu berechnen. Man spricht dann von numerischer Quadratur oder numerischer Integration. Viele Verfahren zur numerischen Quadratur bauen auf einer Approximation der Funktion durch einfacher integrierbare Funktionen auf, zum Beispiel durch Polynome. Die Trapezregel oder auch die simpsonsche Formel (deren Spezialfall als keplersche Fassregel bekannt ist) sind Beispiele dafür, hier wird durch die Funktion ein Interpolationspolynom gelegt und dann integriert.

Bereits lange vor der Verbreitung von Computern wurden für die numerische Integration Verfahren zur automatischen Schrittweitensteuerung entwickelt. Heute bietet die Computeralgebra die Möglichkeit, komplexe Integrale numerisch in immer kürzeren Zeiten bzw. immer genauer zu lösen, wobei auch bei leistungsfähigen Systemen noch Schwierigkeiten bei uneigentlichen Integralen bestehen, für deren Berechnung oft spezielle Verfahren wie Gauß-Kronrod angewendet werden müssen. Ein Beispiel für ein solches hartes Integral ist:

${\displaystyle \int _{0}^{\infty }{\frac {\ln(1+x)}{\ln ^{2}x+\pi ^{2}}}\cdot {\frac {\mathrm {d} x}{x^{2}}}=\gamma }$

Klassische Verfahren sind z. B. die Eulersche Summenformel, bei der das bestimmte Integral durch eine im Allgemeinen asymptotische Reihe approximiert wird. Weitere Methoden basieren auf der Theorie der Differenzenrechnung, als wichtiges Beispiel ist hier die Gregorysche Integrationsformel zu nennen.

Exakte Verfahren

Es gibt eine Reihe von Verfahren, mit denen bestimmte und uneigentliche Integrale exakt in symbolischer Form berechnet werden können.

Falls ${\displaystyle f}$ stetig und zu ${\displaystyle f}$ eine Stammfunktion ${\displaystyle F}$ bekannt ist, lässt sich das bestimmte Integral

${\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x=F(b)-F(a)}$

durch den Hauptsatz berechnen. Problematisch ist, dass die Operation des unbestimmten Integrierens zu einer Erweiterung vorgegebener Funktionsklassen führt. Z. B. ist das Integrieren innerhalb der Klasse der rationalen Funktionen nicht abgeschlossen und führt auf die Funktionen ${\displaystyle \ln }$ und ${\displaystyle \arctan }$. Auch die Klasse der so genannten elementaren Funktionen ist nicht abgeschlossen. So hat Joseph Liouville bewiesen, dass die Funktion ${\displaystyle e^{-x^{2}}}$ keine elementare Stammfunktion besitzt. Leonhard Euler war einer der ersten, die Methoden zur exakten Berechnung bestimmter und uneigentlicher Integrale ohne Bestimmung einer Stammfunktion entwickelten. Im Laufe der Zeit sind zahlreiche allgemeinere und speziellere Methoden zur bestimmten Integration entstanden:

• Benutzung des Residuensatzes
• Darstellung des von einem Parameter abhängigen Integrals durch spezielle Funktionen
• Differentiation oder Integration des Integrals nach einem Parameter und Vertauschung der Grenzprozesse
• Benutzung einer Reihenentwicklung des Integranden mit gliedweiser Integration
• durch partielle Integration und Substitution das Integral auf sich selbst oder ein anderes zurückführen

Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts sind zahlreiche (teils mehrbändige) Integraltafeln mit bestimmten Integralen entstanden. Zur Illustration der Problematik einige Beispiele:

${\displaystyle \int _{0}^{1}{\frac {\ln(1+x)}{x^{2}+1}}\,\mathrm {d} x={\frac {\pi }{8}}\ln 2}$

${\displaystyle \int _{0}^{\pi }\ln \sin x\,\mathrm {d} x=-\pi \ln 2}$

Besondere Integrale

Es gibt eine Reihe von bestimmten und uneigentlichen Integralen, die eine gewisse Bedeutung für die Mathematik haben und daher einen eigenen Namen tragen:

• Eulersche Integrale erster und zweiter Art
• Gaußsches Fehlerintegral

${\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }e^{-t^{2}}\,\mathrm {d} t={\sqrt {\pi }}}$

• Fresnel-Integrale

${\displaystyle \int _{0}^{\infty }\cos t^{2}\,\mathrm {d} t=\int _{0}^{\infty }\sin t^{2}\,\mathrm {d} t={\tfrac {1}{4}}{\sqrt {2\pi }}}$

• Raabesches Integral

${\displaystyle \int \limits _{a}^{a+1}\log \Gamma (t)\,\mathrm {d} t={\tfrac {1}{2}}\log 2\pi +a\log a-a,\quad a\geq 0,}$    und speziell für ${\displaystyle a=0}$ und ${\displaystyle a=e}$: ${\displaystyle \int _{0}^{1}\log \Gamma (t)\,\mathrm {d} t={\tfrac {1}{2}}\log 2\pi }$

• Frullanische Integrale

${\displaystyle \int _{0}^{\infty }{\frac {f(ax)-f(bx)}{x}}\,\mathrm {d} x}$

Wegintegrale

Oberflächenintegrale

Volumenintegrale

Für ${\displaystyle f\equiv 1}$ berechnet das Volumenintegral den Volumeninhalt des Integrationsbereiches.

Integration über mehr- und höherdimensionale Bereiche

Den Integralbegriff kann man auf den Fall verallgemeinern, dass die Trägermenge, auf der der Integrand ${\displaystyle f}$ operiert, nicht die Zahlengerade ${\displaystyle \mathbb {R} }$, sondern der ${\displaystyle n}$-dimensionale euklidische Raum ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ ist.

Integration von vektorwertigen Funktionen

Die Integration von Funktionen, die nicht reell- oder komplexwertig sind, sondern Werte in einem allgemeineren Vektorraum annehmen, ist ebenfalls auf verschiedenste Arten möglich.

Die direkte Verallgemeinerung des Lebesgue-Integrals auf Banachraum-wertige Funktionen ist das Bochner-Integral. Viele Ergebnisse der eindimensionalen Theorie übertragen sich dabei wortwörtlich auf Banachräume.

Auch die Definition des Riemann-Integrals mittels Riemann’scher Summen auf vektorwertige Funktionen ${\displaystyle f\colon [a,b]\to V}$ zu übertragen, fällt nicht schwer. Ein entscheidender Unterschied ist hierbei jedoch, dass dann nicht mehr jede Riemann-integrierbare Funktion Bochner-integrierbar ist.

Eine gemeinsame Verallgemeinerung des Bochner- und Riemann-Integrals, die diesen Mangel behebt, ist das McShane-Integral, das sich am einfachsten über verallgemeinerte Riemann’sche Summen definieren lässt.

Auch das Birkhoff-Integral ist eine gemeinsame Verallgemeinerung des Bochner- und Riemann-Integrals. Im Gegensatz zum McShane-Integral benötigt die Definition des Birkhoff-Integrals jedoch keine topologische Struktur im Definitionsbereich der Funktionen. Sind jedoch die Voraussetzungen für die McShane-Integration erfüllt, so ist jede Birkhoff-integrierbare Funktion auch McShane-integrierbar.

Außerdem ist noch das Pettis-Integral als nächster Verallgemeinerungsschritt erwähnenswert. Es nutzt eine funktionalanalytische Definition, bei der die Integrierbarkeit auf den eindimensionalen Fall zurückgeführt wird: Sei dafür ${\displaystyle (\Omega ,{\mathcal {A}},\mu )}$ ein Maßraum. Eine Funktion ${\displaystyle f\colon \Omega \to V}$ heißt dabei Pettis-integrierbar, wenn für jedes stetige Funktional ${\displaystyle \lambda \in V'}$ die Funktion ${\displaystyle \lambda \circ f\colon \Omega \to \mathbb {R} }$ Lebesgue-integrierbar ist und für jede messbare Menge ${\displaystyle A\in {\mathcal {A}}}$ ein Vektor ${\displaystyle x_{A}\in V}$ existiert, sodass

${\displaystyle \forall \lambda \in V'\colon \ \lambda (x_{A})=\int _{A}{\lambda \circ f}\,\mathrm {d} \mu }$

gilt. Der Vektor ${\displaystyle x_{A}}$ wird dann passenderweise mit ${\displaystyle \textstyle \int _{A}f\,\mathrm {d} \mu }$ bezeichnet.

Für Funktionen ${\displaystyle f\colon [a,b]\to V}$, die Werte in einem separablen Banachraum ${\displaystyle V}$ annehmen, stimmt das Pettis-Integral mit dem McShane- und dem Bochner-Integral überein. Wichtigster Spezialfall all dieser Definitionen ist der Fall von Funktionen in den ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$, die bei allen diesen Definitionen einfach komponentenweise integriert werden.

Maßtheorie

Haarsches Maß

Das Haarsche Maß, nach Alfréd Haar, stellt eine Verallgemeinerung des Lebesgue-Maßes für lokalkompakte topologische Gruppen dar und induziert damit auch ein Integral als Verallgemeinerung des Lebesgue-Integrals.

Integration auf Mannigfaltigkeiten

Siehe: Integration von Differentialformen

Schließlich kann Integration auch dazu verwendet werden, Oberflächen von gegebenen Körpern zu messen. Dies führt in das Gebiet der Differentialgeometrie.