Differentialgleichungen: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 8 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

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

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).

Ableitungen

Potenzregel
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Produktregel
(uv)′ = u′v + uv′
Quotientenregel
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Kettenregel
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Wichtige Ableitungen
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Methode

  1. Erkenne die Struktur: Summe, Produkt, Quotient oder Verkettung.
  2. Wende die Potenzregel auf jede Potenz von x an.
  3. Verwende bei Bedarf Produkt-, Quotienten- oder Kettenregel.
  4. Vereinfache und werte an der Stelle aus, falls verlangt.

Numerische Verfahren

Bisektion
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton-Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Lineare Interpolation
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Trapezregel
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Simpson-Regel (n gerade)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Fehlerschranke der Trapezregel
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Methode

  1. Bei einer Nullstelle: Prüfe den Vorzeichenwechsel für die Bisektion oder berechne f und f′ für Newton, und behalte sechs oder mehr Stellen in einer Tabelle der Iterierten.
  2. Für einen Tabellenwert: Interpoliere linear zwischen den beiden benachbarten Punkten.
  3. Für ein Integral: Bestimme h = (b − a)/n, liste f an jedem Knoten auf, wende die Gewichte an (1, 2, …, 2, 1 für Trapez; 1, 4, 2, …, 4, 1 für Simpson mit geradem n) und multipliziere mit h/2 bzw. h/3.
  4. Für eine Differentialgleichung: Gehe von t₀ aus mit yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) oder der gemittelten Steigung (Heun) schrittweise vor, eine Zeile pro Schritt, bis du das gesuchte t erreichst.

2Übungsaufgaben

1.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 3y(1,5) = ?

Löse y″ + 2y′ + y = 0 mit y(0) = 3 und y′(0) = -1. Bestimme y(1,5).

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 3y′(0) = -1
y(1.5) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
ty1,5y(1,5) = ?

Löse y′ + y = 9e−2t mit y(0) = 3. Bestimme y(1,5).

y′ + y = 9e−2ty(0) = 3
y(1.5) =
3.IntegraleMittel
xy4y = x

Das Gebiet unter y = x von x = 0 bis x = 4 wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers (ein Kegel).

y = x0 ≤ x ≤ 4
V =
4.IntegraleSchwer
xyy = 0,5x2​y = 4x

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 0,5x2 und y = 4x eingeschlossen wird.

y = 0,5x2y = 4x
A =
5.AbleitungenMittel
xyx = 1

Gegeben ist f(x) = ln(x2 + 4). Bestimme f′(1).

f(x) = ln(x2 + 4)x = 1
f′(1) =
6.AbleitungenSchwer
xy

Gegeben ist f(x) = x3 − 10,5x2 + 30x − 4. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Maximums.

f(x) = x3 − 10,5x2 + 30x − 4
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
xy00,33330,666711,3331,6672

Nähere ∫02 1/(1 + x³) dx mit der Simpson-Regel mit n = 6 Streifen an. Gib S an.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 6
S =
8.Numerische VerfahrenSchwer
0120,511,52ty(0, 2)

Verwende das Euler-Verfahren mit h = 0,5 für y′ = t − y, y(0) = 2, um y5 ≈ y(2,5) zu schätzen.

y′ = t − yy(0) = 2h = 0,5
y5 =

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: y(1.5) = 1,339

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.

Doppelte Wurzel

(r + 1)² = 0 → r = −1

Konstanten

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 1A → B = -1 + 3 = 2

Auswerten

y(1,5) = (3 + 2·1,5)·e−1,5 = 1,339

Antwort

y(1,5) = 1,339
2.Differentialgleichungen

Antwort: y(1.5) = 2,229

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 = et
(ety)′ = 9e−t

Allgemeine Lösung

y = 9/(−1)·e−2t + C·e−t = −9·e−2t + C·e−t

Anfangsbedingung

3 = −9 + C → C = 12

Auswerten

y(1,5) = −9·0,04979 + 12·0,2231 = 2,229

Antwort

y(1,5) = 2,229
3.Integrale

Antwort: V = 67,02

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∫₀4 1x² dx

Integrieren

V = π·1·4³/3 = 67,02

Antwort

V = 67,02

Kontrolle: Ein Kegel mit dem Radius 4 und der Höhe 4 hat (1/3)πr²h = 67,02.

4.Integrale

Antwort: A = 42,67

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

0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8

Obere minus untere integrieren

A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67

Antwort

A = 42,67
5.Ableitungen

Antwort: f′(1) = 0,4

Differenzieren: Die Ableitung f′(x) ist die Steigung des Graphen bei x. Potenzregel: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Produktregel: (uv)′ = u′v + uv′. Kettenregel: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Wo f′(x) = 0 ist, hat der Graph eine waagerechte Tangente: ein Maximum, Minimum oder einen Sattelpunkt.

Kettenregel für den Logarithmus

f′(x) = 2x/(x2 + 4)

Einsetzen

f′(1) = 2/5 = 0,4

Antwort

f′(1) = 0,4
6.Ableitungen

Antwort: x = 2

Differenzieren: Die Ableitung f′(x) ist die Steigung des Graphen bei x. Potenzregel: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Produktregel: (uv)′ = u′v + uv′. Kettenregel: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Wo f′(x) = 0 ist, hat der Graph eine waagerechte Tangente: ein Maximum, Minimum oder einen Sattelpunkt.

Ableitung

f′(x) = 3x2 − 21x + 30 = 3·(x2 − 7x + 10)

f′(x) = 0 lösen

x = 2 oder x = 5

Welches ist welches

f″(x) = 6x − 21: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.

f″(2) = −9, f″(5) = 9
x = 2

Antwort

x = 2
7.Numerische Verfahren

Antwort: S = 1,091

Numerische Integration: Teile [a, b] in n Streifen der Breite h = (b − a)/n mit den Knoten x₀ … xₙ. Trapezregel: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Simpson-Regel (n gerade): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Der Fehler der Trapezregel schrumpft wie h² (Schranke (b − a)h²·M/12 mit M = max|f″|), der der Simpson-Regel wie h⁴, daher ist Simpson bei denselben Knoten meist weit genauer.

ixᵢf(xᵢ)Gewicht001110,3333330,964286420,6666670,7714292310,5441,3333330,296703251,6666670,1776324620,1111111

Knoten und Werte

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,964286 + 2·0,771429 + 4·0,5 + 2·0,296703 + 4·0,177632 + 0,111111 = 9,815044

Simpson-Regel

S = (0,3333/3)·9,815044 = 1,091

Antwort

S = 1,091

Dieses Integral hat keine elementare Stammfunktion, und genau dann braucht man eine numerische Regel.

8.Numerische Verfahren

Antwort: y5 = 1,594

Numerische Lösung von y′ = f(t, y): Das Euler-Verfahren geht entlang der Steigung am Anfang jedes Schritts: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Das Heun-Verfahren (verbessertes Euler-Verfahren) mittelt die Steigung am Anfang und an einer Euler-Vorhersage: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Das klassische Runge-Kutta-Verfahren (RK4) kombiniert vier Steigungen: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Der globale Fehler ist beim Euler-Verfahren proportional zu h, beim Heun-Verfahren zu h², beim RK4 zu h⁴.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁002−2110,51−0,50,75210,750,250,87531,50,8750,6251,1875421,18750,81251,59375

Euler-Schritte

y₁ = 2 + 0,5·(−2) = 1
y₂ = 1 + 0,5·(−0,5) = 0,75
y₃ = 0,75 + 0,5·(0,25) = 0,875
y₄ = 0,875 + 0,5·(0,625) = 1,1875
y₅ = 1,1875 + 0,5·(0,8125) = 1,59375
0120,511,52ty

Diagramm

y5 = 1,594

Antwort

y5 = 1,594

Der exakte Wert ist y(2,5) = 1,746255.

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