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: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
Wichtige Integrale: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Fläche zwischen Kurven: ∫_a^b (f − g) dx

Methode

Schreibe den Integranden, wenn möglich, als Summe einfacher Terme.
Wende die Potenzregel an: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), und die Grundintegrale für e^x, 1/x, sin und cos.
Verwende Substitution, wenn du eine Funktion zusammen mit ihrer Ableitung siehst.
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 |a_k+1/a_k|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Konvergenzradius: R = lim |c_k/c_k+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

Erkenne den Typ: arithmetisch (konstante Differenz), geometrisch (konstanter Quotient), eine Standardreihe, eine Potenzreihe oder ein Taylor-Polynom.
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.
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.
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: f_x = ∂f/∂x (y constant), f_xy = f_yx
Gradient: ∇f = (f_x, f_y), largest slope |∇f|
Richtungsableitung: D_uf = ∇f·u, u = v/|v|
Tangentialebene: z = f(a, b) + f_x(x − a) + f_y(y − b)
Kettenregel: dz/dt = f_x·dx/dt + f_y·dy/dt
Test mit der zweiten Ableitung: D = f_xxf_yy − f_xy²: D > 0, f_xx > 0 minimum; D > 0, f_xx < 0 maximum; D < 0 saddle
Doppelintegral: ∬_R f dA = ∫_a^b∫_g(x)^h(x) f dy dx
Polarkoordinaten: x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Methode

Behandle bei einer partiellen Ableitung die andere Variable als Konstante und verwende die Regeln für eine Variable.
Berechne bei Gradientenaufgaben ∇f = (f_x, f_y) im Punkt; verwende |∇f| für die steilste Steigung und ∇f·u mit einem Einheitsvektor u für eine Richtungsableitung.
Löse für Extrema f_x = 0 und f_y = 0 gemeinsam und klassifiziere dann jeden Punkt mit D = f_xx·f_yy − f_xy².
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 = y₀e^kt
Halbwertszeit: k = ln 2 / t_½
Newtonsches Abkühlungsgesetz: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)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

Berechne I = ∫₀² 2x·(x² + 1)² dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)²[0, 2]

I =

2.IntegraleSchwer

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x² und y = 3x eingeschlossen wird.

y = 2x²y = 3x

A =

3.Folgen & ReihenMittel

Bestimme den Konvergenzradius R der Potenzreihe Σ_k=1^∞ k²·4ᵏ·xᵏ.

Σ k²·4ᵏ·xᵏx₀ = 0

R =

4.Folgen & ReihenSchwer

f(x) = ln(1 + x) wird durch ihr Maclaurin-Polynom vom Grad 3 bei x = 0,3 angenähert. Verwende die Lagrangesche Fehlerschranke M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! mit M = 3! = 6, um den größtmöglichen Fehler |R₃| zu bestimmen.

f(x) = ln(1 + x)n = 3x = 0,3M = 6

|R₃| =

5.Analysis mehrerer VariablenMittel

Bestimme für f(x, y) = 2 ln(x² + 3y²) die maximale Änderungsrate von f im Punkt (1, 0,5), also |∇f|.

f(x, y) = 2 ln(x² + 3y²)P = (1, 0,5)

|∇f| =

6.Analysis mehrerer VariablenSchwer

f(x, y) = x² + 5xy + 3y² + 16x + 27y hat einen kritischen Punkt bei (−3, −2). Berechne dort die Diskriminante D = f_xxf_yy − f_xy².

f(x, y) = x² + 5xy + 3y² + 16x + 27yP = (−3, −2)

D =

7.DifferentialgleichungenMittel

Eine Getränkedose mit 6 °C wird aus dem Kühlschrank in einen Raum mit 26 °C gebracht. Nach 29 min beträgt die Temperatur 24 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.

T₀ = 6 °CT_a = 26 °CT(29) = 24 °C

k = min⁻¹

8.DifferentialgleichungenSchwer

Löse y′ + 3y = 8e^−t mit y(0) = 5. Bestimme y(2).

y′ + 3y = 8e^−ty(0) = 5

y(2) =

3Lösungen

1.Integrale

Antwort: I = 41,33

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.

Substitution

u = x² + 1, du = 2x dx

I = ∫₁⁵ u² du

Integrieren und auswerten

I = [u³/3]₁⁵ = (125 − 1)/3 = 41,33

Antwort

I = 41,33

2.Integrale

Antwort: A = 1,125

Schnittpunkte

2x² = 3x → x = 0, x = 1,5

Obere minus untere integrieren

A = [1,5x² − 0,6667x³]₀^1,5 = 1,125

Antwort

A = 1,125

3.Folgen & Reihen

Antwort: R = 0,25

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 |a_k+1/a_k|; Wurzelkriterium: L = lim |a_k|^1/k. L < 1 konvergiert, L > 1 divergiert, L = 1 entscheidet nichts. Eine Potenzreihe Σc_k(x − x₀)ᵏ konvergiert für |x − x₀| < R mit R = lim |c_k/c_k+1|; eine alternierende Reihe mit gegen 0 fallenden Gliedern konvergiert.

Koeffizienten

c_k/c_k+1 = (1/4)·(k/(k + 1))² → 1/4

Radius

R = 0,25

Antwort

R = 0,25

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

4.Folgen & Reihen

Antwort: |R₃| = 0,002025

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.

Schranke für die Ableitung

M = 3! = 6

Lagrangesche Schranke

|R₃| ≤ 6·0,3⁴/4! = 0,002025

Antwort

|R₃| = 0,002025

Der wahre Fehler ist kleiner: |f(0,3) − P₃(0,3)| = 0,001636.

5.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: |∇f| = 4,121

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

Partielle Ableitungen

f_x = 4x/(x² + 3y²) → f_x(1, 0,5) = 2,286

f_y = 12y/(x² + 3y²) → f_y(1, 0,5) = 3,429

Länge des Gradienten

|∇f| = √(2,286² + 3,429²) = 4,121

Antwort

|∇f| = 4,121

6.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: D = −13

Kritische Punkte und Doppelintegrale: Ein kritischer Punkt hat f_x = f_y = 0. Test mit der zweiten Ableitung mit D = f_xxf_yy − f_xy²: D > 0 und f_xx > 0 ist ein lokales Minimum, D > 0 und f_xx < 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

f_xx = 2, f_yy = 6, f_xy = 5

Diskriminante

D = 2·6 − 5² = −13

→ Sattelpunkt

Antwort

D = −13

7.Differentialgleichungen

Antwort: k = 0,0794 min⁻¹

Differentialgleichungen erster Ordnung: dy/dt = k·y hat die Lösung y = y₀·e^kt (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.

Verhältnis der Temperaturdifferenzen

e^−29k = -2/-20

Nach k auflösen

k = ln(-20/-2)/29 = 0,0794 min⁻¹

Antwort

k = 0,0794 min⁻¹

8.Differentialgleichungen

Antwort: y(2) = 0,5438

Integrierender Faktor

μ = e^3t

(e^3ty)′ = 8e^2t

Allgemeine Lösung

y = 8/2·e^−t + C·e^−3t = 4·e^−t + C·e^−3t

Anfangsbedingung

5 = 4 + C → C = 1

Auswerten

y(2) = 4·0,1353 + 1·0,002479 = 0,5438

Antwort

y(2) = 0,5438

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