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
xy12

Berechne I = ∫12 4/x dx.

f(x) = 4/x[1, 2]
I =
2.IntegraleSchwer
xy1y = xy = x²

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

y = xy = x²
V =
3.Folgen & ReihenMittel
AΣ k!/10ᵏk = 1 … ∞BΣ (4/5)ᵏk = 1 … ∞CΣ 1/(5k + 3)k = 1 … ∞DΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞

Genau eine der vier Reihen konvergiert. Klicke sie an.

A: Σ k!/10ᵏB: Σ (4/5)ᵏC: Σ 1/(5k + 3)D: Σ (5/4)ᵏ
  1. 1A: Σ k!/10ᵏ
  2. 2B: Σ (4/5)ᵏ
  3. 3C: Σ 1/(5k + 3)
  4. 4D: Σ (5/4)ᵏ
4.Folgen & ReihenSchwer
xyfP₄−0,5

Verwende das Maclaurin-Polynom vom Grad 4 von f(x) = e3x, um f(−0,5) anzunähern. Gib P₄(−0,5) an.

f(x) = e3xn = 4x = −0,5
P₄(−0.5) =
5.Analysis mehrerer VariablenMittel
xy050246vP

Bestimme für f(x, y) = −3xy² − 4x³ + 3y³ − xy die Richtungsableitung Duf in (3, 3) in Richtung von v = (0, −1).

f(x, y) = −3xy² − 4x³ + 3y³ − xyP = (3, 3)v = (0, −1)
Duf =
6.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xy−202−202(0, 0)(2, 2)(−2, −2)

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy hat einen kritischen Punkt bei (−2, −2). Berechne dort die Diskriminante D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xyP = (−2, −2)
D =
7.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 4y(1,5) = ?

Löse y″ + 5y′ + 4y = 0 mit y(0) = 4 und y′(0) = 2. Bestimme y(1,5).

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 4y′(0) = 2
y(1.5) =
8.DifferentialgleichungenSchwer
tyy(0) = 10y(1) = ?

Löse y″ + y′ + 4,25y = 0 mit y(0) = 10 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(1); Winkel im Bogenmaß.

y″ + y′ + 4,25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(1) =

3Lösungen

1.Integrale

Antwort: I = 2,773

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 2 − ln 1) = 4·ln 2 = 2,773

Antwort

I = 2,773
2.Integrale

Antwort: V = 0,4189

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

1x = 1x² → x = 0, x = 1

Ringmethode

V = π∫₀1 ((1x)² − (1x²)²) dx

Integrieren

V = π(1·1³/3 − 1·1⁵/5) = π·0,1333 = 0,4189

Antwort

V = 0,4189
3.Folgen & Reihen

Antwort: B: Σ (4/5)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 k!/10ᵏ → Quotientenkriterium: L = lim (k + 1)/10 = ∞, divergiert.
B: Σ (4/5)ᵏ → Geometrisch mit r = 4/5, |r| < 1: konvergiert.
C: Σ 1/(5k + 3) → Verhält sich für große k wie 1/(5k); im Vergleich mit der harmonischen Reihe divergiert sie.
D: Σ (5/4)ᵏ → Geometrisch mit r = 5/4 > 1: Die Glieder wachsen, sie divergiert also.

Die Antwort

B: Σ (4/5)ᵏ

Antwort

B: Σ (4/5)ᵏ
4.Folgen & Reihen

Antwort: P₄(−0.5) = 0,2734

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.

Maclaurin-Polynom

P₄(x) = 1 + 3x + 4,5x² + 4,5x³ + 3,375x⁴

Einsetzen

P₄(−0,5) = 1 − 1,5 + 1,125 − 0,5625 + 0,210938 = 0,2734

Antwort

P₄(−0,5) = 0,2734

Der exakte Wert ist f(−0,5) = 0,22313; der Fehler −0,0503073 wird kleiner, wenn du mehr Terme nimmst oder einen Punkt näher bei 0.

5.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: Duf = −24

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 = −3y² − 12x² − y → fx(3, 3) = −138
fy = −6xy + 9y² − x → fy(3, 3) = 24

Einheitsvektor

|v| = √(0² + (−1)²) = 1
u = (0, −1)

Skalarprodukt

Duf = (−138)·0 + 24·(−1) = −24

Antwort

Duf = −24
6.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: D = 2048

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).

Zweite Ableitungen

fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16

Diskriminante

D = 48·48 − (−16)² = 2048
→ lokales Minimum

Antwort

D = 2048
7.Differentialgleichungen

Antwort: y(1.5) = 1,334

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 + 4) = 0 → r = −1, −4

Konstanten aus den Anfangswerten

A + B = 4, −1A − 4B = 2
A = 6, B = −2

Auswerten

y(1,5) = 6·e−1,5 + (−2)·e−6 = 1,334

Antwort

y(1,5) = 1,334
8.Differentialgleichungen

Antwort: y(1) = −1,145

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.

Komplexe Wurzeln

r = −0,5 ± 2j

Konstanten

A = 10, B = 0,5·10/2 = 2,5

Auswerten

y(1) = e−0,5(10·cos 2 + 2,5·sin 2) = −1,145

Antwort

y(1) = −1,145

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