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
xy3y = 2x

Das Gebiet unter y = 2x von x = 0 bis x = 3 wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers (ein Kegel).

y = 2x0 ≤ x ≤ 3
V =
2.IntegraleSchwer
xyy = 2x2​y = 2x

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = 2x eingeschlossen wird.

y = 2x2y = 2x
A =
3.Folgen & ReihenMittel
xx₀ = −2??R

Die Potenzreihe Σk=1∞ (2k)!·(x + 2)ᵏ/(k!)² konvergiert auf einem Intervall um x₀ = −2. Bestimme das linke Ende x dieses Intervalls.

Σ (2k)!·(x + 2)ᵏ/(k!)²x₀ = −2
x =
4.Folgen & ReihenSchwer

Bestimme den Koeffizienten c₃ von (x + 1)³ in der Taylor-Reihe von f(x) = e3x um a = −1.

f(x) = e3xa = −1k = 3
c₃ =
5.Analysis mehrerer VariablenMittel
xy3−2P

Die Tangentialebene an z = 3x³y² − 4x² − y³ − 3xy im Punkt (x, y) = (3, −2) lässt sich als z = px + qy + c schreiben. Bestimme c.

f(x, y) = 3x³y² − 4x² − y³ − 3xy(a, b) = (3, −2)
c =
6.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xyx = 4y = 0,5x42

Berechne I = ∬T (x − y) dA über das Dreieck T, das von y = 0, x = 4 und y = 0,5x begrenzt wird.

f = x − y0 ≤ x ≤ 40 ≤ y ≤ 0,5x
I =
7.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 4y(1) = ?

Löse y″ + 6y′ + 5y = 0 mit y(0) = 4 und y′(0) = 6. Bestimme y(1).

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 4y′(0) = 6
y(1) =
8.DifferentialgleichungenSchwer
xy12(1, 2)y(2) = ?

Löse das Anfangswertproblem y′ + 2y/x = 2x2 für x > 0 mit y(1) = 2. Bestimme y(2).

y′ + 2y/x = 2x2y(1) = 2
y(2) =

3Lösungen

1.Integrale

Antwort: V = 113,1

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.

Scheibenmethode

V = π∫₀3 4x² dx

Integrieren

V = π·4·3³/3 = 113,1

Antwort

V = 113,1

Kontrolle: Ein Kegel mit dem Radius 6 und der Höhe 3 hat (1/3)πr²h = 113,1.

2.Integrale

Antwort: A = 0,3333

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.

Schnittpunkte

2x2 = 2x → x = 0, x = 1

Obere minus untere integrieren

A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333

Antwort

A = 0,3333
3.Folgen & Reihen

Antwort: x = −2,25

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.

Koeffizienten

ck+1/ck = (2k + 2)(2k + 1)/(k + 1)² → 4, also R = 1/4

Radius

R = 0,25

Intervall

−2,25 < x < −1,75
x = −2,25

Antwort

x = −2,25

Das Quotientenkriterium sagt an den beiden Randpunkten nichts aus; sie müssen getrennt geprüft werden.

4.Folgen & Reihen

Antwort: c₃ = 0,224

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.

Ableitung f⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = 3³·e3x

Koeffizient

c₃ = 3³·e−3/3! = 0,224
c₃ = 0,224

Antwort

c₃ = 0,224
5.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: c = −1294

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.

Wert und Steigungen im Punkt

f(3, −2) = 314
fx = 9x²y² − 8x − 3y → fx(3, −2) = 306
fy = 6x³y − 3y² − 3x → fy(3, −2) = −345

Tangentialebene

z = 314 + 306(x − 3) − 345(y + 2)
z = 306x − 345y − 1294

Konstanter Term

c = −1294

Antwort

c = −1294
6.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: I = 8

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 ≤ 0,5x

Inneres Integral

∫00,5x (x − y) dy = x·0,5x − (0,5x)²/2 = 0,375x²

Äußeres Integral

I = 0,375·4³/3 = 8

Antwort

I = 8
7.Differentialgleichungen

Antwort: y(1) = 2,374

Lineare Gleichungen zweiter Ordnung: Für y″ + b·y′ + c·y = 0 mache den Ansatz y = ert: Das ergibt die charakteristische Gleichung r² + b·r + c = 0. Zwei reelle Wurzeln r₁ ≠ r₂ ergeben y = A·er₁t + B·er₂t (überdämpft); eine doppelte Wurzel r ergibt y = (A + Bt)·ert (aperiodischer Grenzfall); komplexe Wurzeln −α ± jω ergeben y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (unterdämpft, schwingend). Die Anfangswerte y(0) und y′(0) legen A und B fest. In der Form y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 ist ωn die Eigenfrequenz und ζ der Dämpfungsgrad: Für ζ < 1 schwingt das System. Bei konstanter Eingangsgröße, y″ + by′ + cy = c·K, ist die Lösung der stationäre Wert K plus die freie Antwort.

Charakteristische Wurzeln

(r + 1)(r + 5) = 0 → r = −1, −5

Konstanten aus den Anfangswerten

A + B = 4, −1A − 5B = 6
A = 6,5, B = −2,5

Auswerten

y(1) = 6,5·e−1 + (−2,5)·e−5 = 2,374

Antwort

y(1) = 2,374
8.Differentialgleichungen

Antwort: y(2) = 3,6

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 = e∫2/x dx = x2

Integrieren

(x2y)′ = 2x4 → x2y = 2x5/5 + C

Anfangsbedingung

2 = 2/5 + C → C = 1,6

Auswerten

y(2) = (2·25/5 + 1,6)/22 = 3,6

Antwort

y(2) = 3,6

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