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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
Schreibe den Integranden, wenn möglich, als Summe einfacher Terme.
Wende die Potenzregel an: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), und die Grundintegrale für ex, 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 |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
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
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
Behandle bei einer partiellen Ableitung die andere Variable als Konstante und verwende die Regeln für eine Variable.
Berechne bei Gradientenaufgaben ∇f = (fx, fy) im Punkt; verwende |∇f| für die steilste Steigung und ∇f·u mit einem Einheitsvektor u für eine Richtungsableitung.
Löse für Extrema fx = 0 und fy = 0 gemeinsam und klassifiziere dann jeden Punkt mit D = fxx·fyy − fxy².
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
Das Gebiet unter y = √(x) von x = 0 bis x = 2 wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers (ein Paraboloid).
y = √(x)0 ≤ x ≤ 2
V =
2.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = x eingeschlossen wird.
y = 2x2y = x
A =
3.Folgen & ReihenMittel
Genau eine der vier Reihen konvergiert. Klicke sie an.
A: Σ k/(k + 2)B: Σ 2ᵏ/k³C: Σ 2ᵏ/k!D: Σ (7/4)ᵏ
1A: Σ k/(k + 2)
2B: Σ 2ᵏ/k³
3C: Σ 2ᵏ/k!
4D: Σ (7/4)ᵏ
4.Folgen & ReihenSchwer
Bestimme den Koeffizienten c₂ von (x − 1)² in der Taylor-Reihe von f(x) = ln x um a = 1.
f(x) = ln xa = 1k = 2
c₂ =
5.Analysis mehrerer VariablenMittel
Die Tangentialebene an z = −2xy² − 3x³ − 3y² − 2xy im Punkt (x, y) = (1, 1) lässt sich als z = px + qy + c schreiben. Bestimme c.
f(x, y) = −2xy² − 3x³ − 3y² − 2xy(a, b) = (1, 1)
c =
6.Analysis mehrerer VariablenSchwer
Berechne I = ∬T (3x − y) dA über das Dreieck T, das von y = 0, x = 2 und y = 3x begrenzt wird.
f = 3x − y0 ≤ x ≤ 20 ≤ y ≤ 3x
I =
7.DifferentialgleichungenMittel
Eine Tasse Kaffee mit 85 °C steht in einem Raum mit 18 °C. Nach 30 min beträgt die Temperatur 29 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wie lange nach dem Start, t, dauert es, bis 51 °C erreicht sind?
T0 = 85 °CTa = 18 °CT(30) = 29 °CT = 51 °C
t = min
8.DifferentialgleichungenSchwer
Ein Behälter enthält 200 L Wasser, in dem 10 kg Salz gelöst sind. Salzlösung mit 0,25 kg Salz pro Liter fließt mit 5 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Wie viel Salz m ist nach 65 min im Behälter?
V = 200 Lm0 = 10 kgc = 0,25 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3Lösungen
1.Integrale
Antwort: V = 6,283
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∫₀2 x dx
Integrieren
V = π·1·2²/2 = 6,283
Antwort
V = 6,283
2.Integrale
Antwort: A = 0,04167
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.
Schnittpunkte
2x2 = x → x = 0, x = 0,5
Obere minus untere integrieren
A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167
Antwort
A = 0,04167
3.Folgen & Reihen
Antwort: C: Σ 2ᵏ/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/(k + 2) → Die Glieder streben gegen 1, nicht gegen 0: divergiert nach dem Trivialkriterium.
D: Σ (7/4)ᵏ → Geometrisch mit r = 7/4 > 1: Die Glieder wachsen, sie divergiert also.
Die Antwort
C: Σ 2ᵏ/k!
Antwort
C: Σ 2ᵏ/k!
4.Folgen & Reihen
Antwort: c₂ = −0,5
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⁽²⁾
f⁽²⁾(x) = −1/x²
Koeffizient
c₂ = f⁽²⁾(1)/2! = −1/(1²·2) = −0,5
c₂ = −0,5
Antwort
c₂ = −0,5
5.Analysis mehrerer Variablen
Antwort: c = 15
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.
Wert und Steigungen im Punkt
f(1, 1) = −10
fx = −2y² − 9x² − 2y → fx(1, 1) = −13
fy = −4xy − 6y − 2x → fy(1, 1) = −12
Tangentialebene
z = −10 − 13(x − 1) − 12(y − 1)
z = −13x − 12y + 15
Konstanter Term
c = 15
Antwort
c = 15
6.Analysis mehrerer Variablen
Antwort: I = 12
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).
Grenzwerte
0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 3x
Inneres Integral
∫03x (3x − y) dy = 3x·3x − (3x)²/2 = 4,5x²
Äußeres Integral
I = 4,5·2³/3 = 12
Antwort
I = 12
7.Differentialgleichungen
Antwort: t = 11,76 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.
Abkühlungskonstante
k = ln(67/11)/30 = 0,06023 min⁻¹
Zeit bis zum Zielwert
t = ln(67/33)/0,06023 = 11,76 min
Antwort
t = 11,76 min
8.Differentialgleichungen
Antwort: m = 42,12 kg
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.
Die Gleichung aufstellen
dm/dt = 5·0,25 − (5/200)·m = 1,25 − 0,025·m
Lösen
Der integrierende Faktor ist ert/V; die Lösung nähert sich dem Gleichgewicht c·V.