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 = 3x

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

y = 3x0 ≤ x ≤ 3
V =
2.IntegraleSchwer
xy−33

Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 9 − x² und der x-Achse.

y = 9 − x²
A =
3.Folgen & ReihenMittel
AΣ 5/k⁴k = 1 … ∞BΣ k/5ᵏk = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞DΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞

Genau eine der vier Reihen divergiert. Klicke sie an.

A: Σ 5/k⁴B: Σ k/5ᵏC: Σ (−1)ᵏ/√kD: Σ (3/2)ᵏ
  1. 1A: Σ 5/k⁴
  2. 2B: Σ k/5ᵏ
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/√k
  4. 4D: Σ (3/2)ᵏ
4.Folgen & ReihenSchwer
xyfP₄0,5

Verwende das Maclaurin-Polynom vom Grad 4 von f(x) = 1/(1 − x), um f(0,5) anzunähern. Gib P₄(0,5) an.

f(x) = 1/(1 − x)n = 4x = 0,5
P₄(0.5) =
5.Analysis mehrerer VariablenMittel

z = x³y − 5x³ + 2xy mit x = −2t − 2 und y = −2t² − 1. Bestimme mit der Kettenregel dz/dt bei t = 0.

z = x³y − 5x³ + 2xyx = −2t − 2y = −2t² − 1t = 0
dz/dt =
6.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xy−505−4−202AB

Die markierten Punkte sind die kritischen Punkte von f(x, y) = x³ − 27x + y² + 2y. Klicke den Sattelpunkt an.

f(x, y) = x³ − 27x + y² + 2y
  1. 1A (3, −1)
  2. 2B (−3, −1)
7.DifferentialgleichungenMittel
t (min)T (°C)28Ta​37 °C

Eine Tasse Kaffee mit 92 °C steht in einem Raum mit 19 °C. Nach 28 min beträgt die Temperatur 37 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.

T0 = 92 °CTa = 19 °CT(28) = 37 °C
k = min⁻¹
8.DifferentialgleichungenSchwer
xy13(1, 3)y(3) = ?

Löse das Anfangswertproblem y′ + y/x = 3x für x > 0 mit y(1) = 3. Bestimme y(3).

y′ + y/x = 3xy(1) = 3
y(3) =

3Lösungen

1.Integrale

Antwort: V = 254,5

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∫₀3 9x² dx

Integrieren

V = π·9·3³/3 = 254,5

Antwort

V = 254,5

Kontrolle: Ein Kegel mit dem Radius 9 und der Höhe 3 hat (1/3)πr²h = 254,5.

2.Integrale

Antwort: A = 36

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.

Nullstellen

9 − x² = 0 → x = ±3

Integrieren

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

Antwort

A = 36
3.Folgen & Reihen

Antwort: D: 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 5/k⁴ → p-Reihe mit p = 4 > 1: konvergiert.
B: Σ k/5ᵏ → Quotientenkriterium: L = 1/5 < 1, konvergiert.
C: Σ (−1)ᵏ/√k → Alternierend, mit gegen 0 fallendem 1/√k: konvergiert (bedingt).
D: Σ (3/2)ᵏ → Geometrisch mit r = 3/2 > 1: Die Glieder wachsen, sie divergiert also.

Die Antwort

D: Σ (3/2)ᵏ

Antwort

D: Σ (3/2)ᵏ
4.Folgen & Reihen

Antwort: P₄(0.5) = 1,938

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 + x + x² + x³ + x⁴

Einsetzen

P₄(0,5) = 1 + 0,5 + 0,25 + 0,125 + 0,0625 = 1,938

Antwort

P₄(0,5) = 1,938

Der exakte Wert ist f(0,5) = 2; der Fehler 0,0625 wird kleiner, wenn du mehr Terme nimmst oder einen Punkt näher bei 0.

5.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: dz/dt = 148

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(0) = −2, y(0) = −1
dx/dt = −2, dy/dt = −4t = 0

Partielle Ableitungen

fx = 3x²y − 15x² + 2y = −74
fy = x³ + 2x = −12

Kettenregel

dz/dt = (−74)·(−2) + (−12)·0 = 148

Antwort

dz/dt = 148
6.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: B (−3, −1)

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

Der Punkt

B (−3, −1): Sattelpunkt

Antwort

B (−3, −1)
7.Differentialgleichungen

Antwort: k = 0,05 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−28k = 18/73

Nach k auflösen

k = ln(73/18)/28 = 0,05 min⁻¹

Antwort

k = 0,05 min⁻¹
8.Differentialgleichungen

Antwort: y(3) = 9,667

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∫1/x dx = x1

Integrieren

(x1y)′ = 3x2 → x1y = 3x3/3 + C

Anfangsbedingung

3 = 3/3 + C → C = 2

Auswerten

y(3) = (3·33/3 + 2)/31 = 9,667

Antwort

y(3) = 9,667

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