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
xy4y = √(4x)

Das Gebiet unter y = √(4x) von x = 0 bis x = 4 wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers (ein Paraboloid).

y = √(4x)0 ≤ x ≤ 4
V =
2.IntegraleSchwer
xy1y = x²eˣ

Berechne I = ∫₀1 x²·eˣ dx.

∫₀1 x²eˣ dx
I =
3.Folgen & ReihenMittel
AΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞BΣ 2/k⁴k = 1 … ∞CΣ (4/3)ᵏk = 1 … ∞DΣ 1/(k² + 6)k = 1 … ∞

Genau eine der vier Reihen divergiert. Klicke sie an.

A: Σ (−1)ᵏ/√kB: Σ 2/k⁴C: Σ (4/3)ᵏD: Σ 1/(k² + 6)
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/√k
  2. 2B: Σ 2/k⁴
  3. 3C: Σ (4/3)ᵏ
  4. 4D: Σ 1/(k² + 6)
4.Folgen & ReihenSchwer

Bestimme den Koeffizienten c₃ von (x − 4)³ in der Taylor-Reihe von f(x) = ln x um a = 4.

f(x) = ln xa = 4k = 3
c₃ =
5.Analysis mehrerer VariablenMittel
xy024−202vP

Bestimme für f(x, y) = x³ey die Richtungsableitung Duf in (2, 0) in Richtung von v = (−2, 2).

f(x, y) = x³eyP = (2, 0)v = (−2, 2)
Duf =
6.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xy−505−4−202(3, −1)(−3, −1)

Bestimme die kritischen Punkte von f(x, y) = x³ − 27x + y² + 2y, klassifiziere sie und gib den Wert fmin von f an ihrem lokalen Minimum an.

f(x, y) = x³ − 27x + y² + 2y
fmin =
7.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 2y(1) = ?

Löse y″ + 6y′ + 9y = 0 mit y(0) = 2 und y′(0) = 1. Bestimme y(1).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = 1
y(1) =
8.DifferentialgleichungenSchwer
tyK = 5y(0,75) = ?

Ein System gehorcht y″ + y′ + 9,25y = 46,25 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme y(0,75); Winkel im Bogenmaß.

y″ + y′ + 9,25y = 46,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =

3Lösungen

1.Integrale

Antwort: V = 100,5

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∫₀4 4x dx

Integrieren

V = π·4·4²/2 = 100,5

Antwort

V = 100,5
2.Integrale

Antwort: I = 0,7183

Partielle Integration: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, aus der Produktregel. Wähle u als den Faktor, der beim Ableiten einfacher wird (eine Potenz von x oder ln x), und dv als den Faktor, den du integrieren kannst (eˣ, sin x, cos x oder x, wenn u = ln x). Werte bei einem bestimmten Integral u·v an beiden Grenzen aus: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Ein Faktor x² braucht zwei Runden.

Erste Runde

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Zweite Runde

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Grenzwerte

2,718·(1) − 1·2 = 0,7183

Antwort

I = 0,7183
3.Folgen & Reihen

Antwort: C: Σ (4/3)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 (−1)ᵏ/√k → Alternierend, mit gegen 0 fallendem 1/√k: konvergiert (bedingt).
B: Σ 2/k⁴ → p-Reihe mit p = 4 > 1: konvergiert.
C: Σ (4/3)ᵏ → Geometrisch mit r = 4/3 > 1: Die Glieder wachsen, sie divergiert also.
D: Σ 1/(k² + 6) → Kleiner als 1/k², eine konvergente p-Reihe: konvergiert nach dem Vergleichskriterium.

Die Antwort

C: Σ (4/3)ᵏ

Antwort

C: Σ (4/3)ᵏ
4.Folgen & Reihen

Antwort: c₃ = 0,005208

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) = 2/x³

Koeffizient

c₃ = f⁽³⁾(4)/3! = 2/(4³·6) = 0,005208
c₃ = 0,005208

Antwort

c₃ = 0,005208
5.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: Duf = −2,828

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 = 3x²ey → fx(2, 0) = 12
fy = x³ey → fy(2, 0) = 8

Einheitsvektor

|v| = √((−2)² + 2²) = 2,828
u = (−0,7071, 0,7071)

Skalarprodukt

Duf = 12·(−0,7071) + 8·0,7071 = −2,828

Antwort

Duf = −2,828
6.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: fmin = −55

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).

Kritische Punkte

Löse fx = 0 und fy = 0 gemeinsam.

fx = (3x² − 27) = 0
fy = (2y + 2) = 0
(3, −1), (−3, −1)

Test mit der zweiten Ableitung

(3, −1): fxx = 18, fyy = 2, fxy = 0, D = 36 → lokales Minimum
(−3, −1): fxx = −18, fyy = 2, fxy = 0, D = −36 → Sattelpunkt

Wert am Extremum

f(3, −1) = −55

Antwort

fmin = −55
7.Differentialgleichungen

Antwort: y(1) = 0,4481

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.

Doppelte Wurzel

(r + 3)² = 0 → r = −3

Konstanten

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 3A → B = 1 + 6 = 7

Auswerten

y(1) = (2 + 7·1)·e−3 = 0,4481

Antwort

y(1) = 0,4481
8.Differentialgleichungen

Antwort: y(0.75) = 6,713

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.

Stationärer Wert und Wurzeln

yss = 5, r = −0,5 ± 3j

Konstanten aus den Anfangswerten

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −0,5A + 3B = 0 → B = −0,8333

Auswerten

y(0,75) = 5·(1 − e−0,375(cos 2,25 + 0,1667·sin 2,25)) = 6,713

Antwort

y(0,75) = 6,713

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