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
xy24

Berechne I = ∫24 5/x dx.

f(x) = 5/x[2, 4]
I =
2.IntegraleSchwer
xy2,5y = x²eˣ

Berechne I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.

∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
3.Folgen & ReihenMittel
AΣ k²/5ᵏk = 1 … ∞BΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞CΣ 1/(k(k + 2))k = 1 … ∞DΣ (1/3)ᵏk = 1 … ∞

Genau eine der vier Reihen divergiert. Klicke sie an.

A: Σ k²/5ᵏB: Σ (3/2)ᵏC: Σ 1/(k(k + 2))D: Σ (1/3)ᵏ
  1. 1A: Σ k²/5ᵏ
  2. 2B: Σ (3/2)ᵏ
  3. 3C: Σ 1/(k(k + 2))
  4. 4D: Σ (1/3)ᵏ
4.Folgen & ReihenSchwer

f(x) = cos x wird durch ihr Maclaurin-Polynom vom Grad 4 bei x = 0,5 angenähert. Verwende die Lagrangesche Fehlerschranke M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! mit M = 1, um den größtmöglichen Fehler |R₄| zu bestimmen.

f(x) = cos xn = 4x = 0,5M = 1
|R₄| =
5.Analysis mehrerer VariablenMittel

z = 4xy² − 2x² − y³ − 2xy mit x = 3t − 2 und y = 2t² − 1. Bestimme mit der Kettenregel dz/dt bei t = 1.

z = 4xy² − 2x² − y³ − 2xyx = 3t − 2y = 2t² − 1t = 1
dz/dt =
6.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xy−202−202(2, −1)(−2, −1)

Bestimme die kritischen Punkte von f(x, y) = x³ − 12x + y² + 2y, klassifiziere sie und gib den Wert fmin von f an ihrem lokalen Minimum an.

f(x, y) = x³ − 12x + y² + 2y
fmin =
7.DifferentialgleichungenMittel
t (min)T (°C)27Ta​28 °C

Eine Tasse Kaffee mit 87 °C steht in einem Raum mit 20 °C. Nach 27 min beträgt die Temperatur 28 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.

T0 = 87 °CTa = 20 °CT(27) = 28 °C
k = min⁻¹
8.DifferentialgleichungenSchwer
t (min)m (kg)t = ?56 kg

Ein Behälter enthält 400 L Wasser, in dem 20 kg Salz gelöst sind. Salzlösung mit 0,2 kg Salz pro Liter fließt mit 5 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Nach wie vielen Minuten t enthält der Behälter 56 kg Salz?

V = 400 Lm0 = 20 kgc = 0,2 kg/Lr = 5 L/min
t = min

3Lösungen

1.Integrale

Antwort: I = 3,466

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) = 5·ln x

An den Grenzen auswerten

I = 5·(ln 4 − ln 2) = 5·ln 2 = 3,466

Antwort

I = 3,466
2.Integrale

Antwort: I = 37,59

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

12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59

Antwort

I = 37,59
3.Folgen & Reihen

Antwort: B: Σ (3/2)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 k²/5ᵏ → Quotientenkriterium: L = 1/5 < 1, konvergiert.
B: Σ (3/2)ᵏ → Geometrisch mit r = 3/2 > 1: Die Glieder wachsen, sie divergiert also.
C: Σ 1/(k(k + 2)) → Kleiner als 1/k²: konvergiert nach dem Vergleichskriterium.
D: Σ (1/3)ᵏ → Geometrisch mit r = 1/3, |r| < 1: konvergiert.

Die Antwort

B: Σ (3/2)ᵏ

Antwort

B: Σ (3/2)ᵏ
4.Folgen & Reihen

Antwort: |R₄| = 0,0002604

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 = 1

Lagrangesche Schranke

|R₄| ≤ 1·0,5⁵/5! = 0,0002604

Antwort

|R₄| = 0,0002604

Der wahre Fehler ist kleiner: |f(0,5) − P₄(0,5)| = 2,16 × 10⁻⁵.

5.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: dz/dt = 6

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.

Punkt und Änderungsraten

x(1) = 1, y(1) = 1
dx/dt = 3, dy/dt = 4t = 4

Partielle Ableitungen

fx = 4y² − 4x − 2y = −2
fy = 8xy − 3y² − 2x = 3

Kettenregel

dz/dt = (−2)·3 + 3·4 = 6

Antwort

dz/dt = 6
6.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: fmin = −17

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 − 12) = 0
fy = (2y + 2) = 0
(2, −1), (−2, −1)

Test mit der zweiten Ableitung

(2, −1): fxx = 12, fyy = 2, fxy = 0, D = 24 → lokales Minimum
(−2, −1): fxx = −12, fyy = 2, fxy = 0, D = −24 → Sattelpunkt

Wert am Extremum

f(2, −1) = −17

Antwort

fmin = −17
7.Differentialgleichungen

Antwort: k = 0,07871 min⁻¹

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.

Verhältnis der Temperaturdifferenzen

e−27k = 8/67

Nach k auflösen

k = ln(67/8)/27 = 0,07871 min⁻¹

Antwort

k = 0,07871 min⁻¹
8.Differentialgleichungen

Antwort: t = 73,3 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.

Ergebnis

m(t) = 80 + (−60)·e−t/80

Nach t auflösen

e−t/80 = (80 − 56)/(80 − 20) = 0,4
t = 80·ln(2,5) = 73,3 min

Antwort

t = 73,3 min

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