Die Integralfunktion und der HDI
Nun muss die Frage beantwortet werden, ob F noch weitere Nullstellen besitzt. Dazu betrachten wir den Graph der Integrandenfunktion
und überlegen uns, ob die Flächenbilanz von
ausgehend Null ergeben kann. Damit die Flächenbilanz gleich Null wird, muss der Flächenanteil unterhalb der x-Achse genauso großsein wie der oberhalb der x-Achse.
Wenn man von auf der x-Achse nach rechts geht, verläuft der Graph
ausschließlich unterhalb der x-Achse. Die Fläche zwischen
und der x-Achse liegt für
komplett unterhalb der x-Achse. Für
ist das Integral
daher immer negativ;es kann nicht gleich Null werden;es existieren im Bereich
keine Nullstellen.
Nun gehen wir in Gedanken von auf der x-Achse nach links. Dann gilt
. Bei
stellt x die obere Grenze dar. Für
ist die obere Grenze kleiner als die untere;wir integrieren praktisch von rechts nach links, also in die „falsche“ Richtung. Daher werden die Flächenstücke oberhalb der x-Achse negativ und die unterhalb positiv gezählt. Die Flächenbilanz ist trotzdem gleich Null, wenn die Flächenstücke oberhalb und unterhalb gleich großsind. An der Abbildung ist zu erkennen, dass der Graph der Integrandenfunktion
die x-Achse bei
schneidet und bei
berührt. Die Fläche zwischen
und der x-Achse von
bis
liegt unterhalb der x-Achse. Da wir aber in die „falsche“ Richtung, nämlich von
bis
integrieren, ist das Integral
positiv. Die Fläche zwischen
und der x-Achse von
bis
liegt oberhalb der x-Achse. Wir integrieren aber in die falsche Richtung, deshalb zählt dieses Flächenstück negativ. Die Frage ist nun, wie weit man von
(bis höchstens
) nach links gehen muss, damit diese Fläche zwischen
und der x-Achse genauso großist, wie die Fläche zwischen
und der x-Achse von
bis
. Diese Frage kann man nur mit Hilfe der angegebenen Integrale
exakt beantworten. Die obere Grenze des ersten Integrals fällt mit der unteren des zweiten Integrals zusammen;wir können die beiden Integrale zusammenfassen:
Wir kennen die Werte der beiden Integrale . Damit ergibt sich:
Bei ist die untere Grenze 4. Wir müssen also noch die Grenzen bei
vertauschen. Wenn man die Grenzen eines Integrals vertauscht, dreht sich das Vorzeichen des Ergebnisses um. Da hier das Ergebnis jedoch 0 ist, spielt das Vorzeichen keine Rolle. Es gilt:
Die Integralfunktion hat somit bei
eine weitere Nullstelle. Daraus folgt:Die Fläche zwischen
und der x-Achse von
bis
liegt oberhalb der x-Achse und ist genauso großwie die Fläche von
bis
.