Analysis 2: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 8 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Integrale

Potenzregel
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Bestimmtes Integral
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Wichtige Integrale
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Fläche zwischen Kurven
∫ab (f − g) dx

Methode

  1. Schreibe den Integranden, wenn möglich, als Summe einfacher Terme.
  2. Wende die Potenzregel an: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), und die Grundintegrale für ex, 1/x, sin und cos.
  3. Verwende Substitution, wenn du eine Funktion zusammen mit ihrer Ableitung siehst.
  4. Für ein bestimmtes Integral berechnest du F(b) − F(a).

Folgen & Reihen

Arithmetische Folge
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Geometrische Folge
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Unendliche geometrische Reihe
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-Reihe
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Quotientenkriterium
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Konvergenzradius
R = lim |ck/ck+1|
Taylor-Polynom
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Maclaurin-Reihe
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Lagrangesche Fehlerschranke
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Methode

  1. Erkenne den Typ: arithmetisch (konstante Differenz), geometrisch (konstanter Quotient), eine Standardreihe, eine Potenzreihe oder ein Taylor-Polynom.
  2. Verwende für Summen Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) oder S = a₁/(1 − r) für |r| < 1, wobei a₁ das erste Glied der Summe ist.
  3. Zur Konvergenz: erst das Trivialkriterium, dann der Vergleich mit Σ1/kᵖ oder einer geometrischen Reihe, und bei Fakultäten und k-ten Potenzen das Quotienten- oder Wurzelkriterium.
  4. Liste für Taylor-Polynome f(a), f′(a), f″(a), … auf, teile die k-te Ableitung durch k! und schätze den Fehler mit M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)! ab.

Analysis mehrerer Variablen

Partielle Ableitungen
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradient
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Richtungsableitung
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Tangentialebene
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Kettenregel
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Test mit der zweiten Ableitung
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Doppelintegral
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Polarkoordinaten
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Methode

  1. Behandle bei einer partiellen Ableitung die andere Variable als Konstante und verwende die Regeln für eine Variable.
  2. Berechne bei Gradientenaufgaben ∇f = (fx, fy) im Punkt; verwende |∇f| für die steilste Steigung und ∇f·u mit einem Einheitsvektor u für eine Richtungsableitung.
  3. Löse für Extrema fx = 0 und fy = 0 gemeinsam und klassifiziere dann jeden Punkt mit D = fxx·fyy − fxy².
  4. Skizziere bei einem Doppelintegral den Bereich, wähle die Reihenfolge (oder Polarkoordinaten für Kreisscheiben) so, dass die inneren Grenzen die begrenzenden Kurven sind, und integriere von innen nach außen.

Differentialgleichungen

Exponentielles Wachstum/exponentieller Zerfall
dy/dt = ky → y = y0ekt
Halbwertszeit
k = ln 2 / t½
Newtonsches Abkühlungsgesetz
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Integrierender Faktor
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Mischbehälter
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Übungsaufgaben

1.IntegraleMittel
xy28

Berechne I = ∫28 4/x dx.

f(x) = 4/x[2, 8]
I =
2.IntegraleSchwer
xy1,333y = 4xy = 3x²

Das Gebiet zwischen der Geraden y = 4x und der Parabel y = 3x² wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers.

y = 4xy = 3x²
V =
3.Folgen & ReihenMittel
AΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ ln k / kk = 1 … ∞DΣ 1/(3k + 1)k = 1 … ∞

Genau eine der vier Reihen konvergiert. Klicke sie an.

A: Σ (5/4)ᵏB: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ ln k / kD: Σ 1/(3k + 1)
  1. 1A: Σ (5/4)ᵏ
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ ln k / k
  4. 4D: Σ 1/(3k + 1)
4.Folgen & ReihenSchwer

Erkenne die Reihe und bestimme ihre Summe: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·22k+1/(2k + 1)!.

ak = (−1)ᵏ·22k+1/(2k + 1)!
S =
5.Analysis mehrerer VariablenMittel
xy024−4−20PQ

Bestimme für f(x, y) = 3 ln(x² + 3y²) die Richtungsableitung Duf in P(2, −1) in Richtung auf Q(3, −4).

f(x, y) = 3 ln(x² + 3y²)P = (2, −1)Q = (3, −4)
Duf =
6.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xyx = 4y = x44

Berechne I = ∬T (x + 4y) dA über das Dreieck T, das von y = 0, x = 4 und y = x begrenzt wird.

f = x + 4y0 ≤ x ≤ 40 ≤ y ≤ x
I =
7.DifferentialgleichungenMittel
t (min)T (°C)30Ta​42 °C32 °C

Eine Tasse Kaffee mit 84 °C steht in einem Raum mit 24 °C. Nach 30 min beträgt die Temperatur 42 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wie lange nach dem Start, t, dauert es, bis 32 °C erreicht sind?

T0 = 84 °CTa = 24 °CT(30) = 42 °CT = 32 °C
t = min
8.DifferentialgleichungenSchwer
ty2y(2) = ?

Löse y′ + 3y = 7e−t mit y(0) = 3. Bestimme y(2).

y′ + 3y = 7e−ty(0) = 3
y(2) =

3Lösungen

1.Integrale

Antwort: I = 5,545

Bestimmte Integrale: ∫ₐᵇ f(x) dx ist die orientierte Fläche zwischen dem Graphen und der x-Achse von a bis b. Finde eine Stammfunktion F (mit F′ = f) und berechne F(b) − F(a). Potenzregel: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Die Fläche zwischen zwei Kurven ist ∫(obere − untere) dx.

Stammfunktion

F(x) = 4·ln x

An den Grenzen auswerten

I = 4·(ln 8 − ln 2) = 4·ln 4 = 5,545

Antwort

I = 5,545
2.Integrale

Antwort: V = 15,89

Rotationsvolumen: Dreht man das Gebiet unter y = f(x) von x = a bis x = b um die x-Achse, entsteht ein Körper, dessen Querschnitt bei x eine Kreisscheibe mit Radius f(x) ist. Die Summe der Scheiben ergibt V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Liegt das Gebiet zwischen einer äußeren Kurve R(x) und einer inneren Kurve r(x), ist jede Scheibe ein Ring: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Quadriere die Radien, bevor du sie subtrahierst.

Schnittpunkte

4x = 3x² → x = 0, x = 1,333

Ringmethode

V = π∫₀1,333 ((4x)² − (3x²)²) dx

Integrieren

V = π(16·1,333³/3 − 9·1,333⁵/5) = π·5,057 = 15,89

Antwort

V = 15,89
3.Folgen & Reihen

Antwort: B: Σ (−1)ᵏ/k

Konvergenz: Streben die Glieder nicht gegen 0, divergiert die Reihe (Trivialkriterium). Σ1/kᵖ konvergiert nur für p > 1 und Σrᵏ nur für |r| < 1. Vergleiche eine Reihe mit einer dieser Reihen, wenn sich ihre Glieder für große k wie diese verhalten. Quotientenkriterium: L = lim |ak+1/ak|; Wurzelkriterium: L = lim |ak|1/k. L < 1 konvergiert, L > 1 divergiert, L = 1 entscheidet nichts. Eine Potenzreihe Σck(x − x₀)ᵏ konvergiert für |x − x₀| < R mit R = lim |ck/ck+1|; eine alternierende Reihe mit gegen 0 fallenden Gliedern konvergiert.

Jede Reihe testen

A: Σ (5/4)ᵏ → Geometrisch mit r = 5/4 > 1: Die Glieder wachsen, sie divergiert also.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Alternierend, mit gegen 0 fallendem 1/k: konvergiert (bedingt).
C: Σ ln k / k → Größer als 1/k für k ≥ 3: divergiert nach dem Vergleich mit der harmonischen Reihe.
D: Σ 1/(3k + 1) → Verhält sich für große k wie 1/(3k); im Vergleich mit der harmonischen Reihe divergiert sie.

Die Antwort

B: Σ (−1)ᵏ/k

Antwort

B: Σ (−1)ᵏ/k
4.Folgen & Reihen

Antwort: S = 0,9093

Taylor-Polynome: Nahe x = a wird eine glatte Funktion durch Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n! angenähert; für a = 0 ist das das Maclaurin-Polynom. Standardreihen: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Lagrangesche Fehlerschranke: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, wobei M der größte Wert von |f⁽ⁿ⁺¹⁾| zwischen a und x ist.

Standardreihen

Σ (−1)ᵏx2k+1/(2k + 1)! = sin x

Einsetzen

x = 2
S = sin 2 = 0,9093

Antwort

S = 0,9093
5.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: Duf = 2,982

Gradient: ∇f = (fx, fy) zeigt in Richtung des steilsten Anstiegs, und |∇f| ist die größte Änderungsrate. Die Richtungsableitung in Richtung v ist Duf = ∇f·u mit dem Einheitsvektor u = v/|v|. Die Tangentialebene in (a, b) ist z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); sie liefert die lineare Näherung von f in der Nähe dieses Punktes. Kettenregel: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Gradient im Punkt

fx = 6x/(x² + 3y²) → fx(2, −1) = 1,714
fy = 18y/(x² + 3y²) → fy(2, −1) = −2,571

Einheitsvektor

|v| = √(1² + (−3)²) = 3,162
u = (0,3162, −0,9487)

Skalarprodukt

Duf = 1,714·0,3162 + (−2,571)·(−0,9487) = 2,982

Antwort

Duf = 2,982
6.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: I = 64

Kritische Punkte und Doppelintegrale: Ein kritischer Punkt hat fx = fy = 0. Test mit der zweiten Ableitung mit D = fxxfyy − fxy²: D > 0 und fxx > 0 ist ein lokales Minimum, D > 0 und fxx < 0 ein lokales Maximum, D < 0 ein Sattelpunkt, und D = 0 entscheidet nichts. Für ein Doppelintegral über einen allgemeinen Bereich sind die inneren Grenzen die Kurven, die den Bereich begrenzen; für Kreisscheiben und Sektoren verwende Polarkoordinaten, x = r cos θ, y = r sin θ und dA = r dr dθ (vergiss den Faktor r nicht).

Grenzwerte

0 ≤ x ≤ 4, 0 ≤ y ≤ x

Inneres Integral

∫0x (x + 4y) dy = x·x + 4·(x)²/2 = 3x²

Äußeres Integral

I = 3·4³/3 = 64

Antwort

I = 64
7.Differentialgleichungen

Antwort: t = 50,21 min

Differentialgleichungen erster Ordnung: dy/dt = k·y hat die Lösung y = y₀·ekt (Wachstum für k > 0, Zerfall für k < 0); eine Halbwertszeit T ergibt k = ln 2/T. Das Newtonsche Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ) ergibt T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Eine lineare Gleichung y′ + p(x)·y = q(x) löst man mit dem integrierenden Faktor μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, also μy = ∫μq dx + C.

Abkühlungskonstante

k = ln(60/18)/30 = 0,04013 min⁻¹

Zeit bis zum Zielwert

t = ln(60/8)/0,04013 = 50,21 min

Antwort

t = 50,21 min
8.Differentialgleichungen

Antwort: y(2) = 0,4724

Differentialgleichungen erster Ordnung: dy/dt = k·y hat die Lösung y = y₀·ekt (Wachstum für k > 0, Zerfall für k < 0); eine Halbwertszeit T ergibt k = ln 2/T. Das Newtonsche Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ) ergibt T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Eine lineare Gleichung y′ + p(x)·y = q(x) löst man mit dem integrierenden Faktor μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, also μy = ∫μq dx + C.

Integrierender Faktor

μ = e3t
(e3ty)′ = 7e2t

Allgemeine Lösung

y = 7/2·e−t + C·e−3t = 3,5·e−t + C·e−3t

Anfangsbedingung

3 = 3,5 + C → C = −0,5

Auswerten

y(2) = 3,5·0,1353 + (−0,5)·0,002479 = 0,4724

Antwort

y(2) = 0,4724

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