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.
Für einen Tabellenwert: Interpoliere linear zwischen den beiden benachbarten Punkten.
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.
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
Eine Getränkedose mit 3 °C wird aus dem Kühlschrank in einen Raum mit 30 °C gebracht. Nach 27 min beträgt die Temperatur 23 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wie lange nach dem Start, t, dauert es, bis 27 °C erreicht sind?
T0 = 3 °CTa = 30 °CT(27) = 23 °CT = 27 °C
t = min
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + 2y′ + 10y = 100 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme y(1); Winkel im Bogenmaß.
y″ + 2y′ + 10y = 100y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₁1,5 x·ln x dx.
∫₁1,5 x ln x dx
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = x2 und y = 2x eingeschlossen wird.
y = x2y = 2x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·e−x. Bestimme f′(2).
f(x) = x·e−xx = 2
f′(2) =
6.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 − 9x2 + 15x − 1. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Maximums.
f(x) = x3 − 9x2 + 15x − 1
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫01 sin x dx mit der Simpson-Regel, n = 2, an und vergleiche mit dem exakten Wert. Bestimme den absoluten Fehler |E| = |S − I|.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Verwende das Heun-Verfahren (verbessertes Euler-Verfahren) mit h = 0,2 für y′ = cos t − y, y(0) = −1, um y3 ≈ y(0,6) zu schätzen.
y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,2
y3 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: t = 43,95 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(-27/-7)/27 = 0,05 min⁻¹
Zeit bis zum Zielwert
t = ln(-27/(−3))/0,05 = 43,95 min
Antwort
t = 43,95 min
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(1) = 13,47
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.
Stationärer Wert und Wurzeln
yss = 10, r = −1 ± 3j
Konstanten aus den Anfangswerten
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1A + 3B = 0 → B = −3,333
Auswerten
y(1) = 10·(1 − e−1(cos 3 + 0,3333·sin 3)) = 13,47
Antwort
y(1) = 13,47
3.Integrale
Antwort: I = 0,1436
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.
u und dv wählen
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Stammfunktion
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Grenzwerte
(1,125·ln 1,5 − 0,5625) − (0 − 0,25) = 0,1436
Antwort
I = 0,1436
4.Integrale
Antwort: A = 1,333
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
x2 = 2x → x = 0, x = 2
Obere minus untere integrieren
A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333
Antwort
A = 1,333
5.Ableitungen
Antwort: f′(2) = −0,1353
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.
Produktregel
f′(x) = u′v + uv′ = e−x·(1 + (−1)·x)
Einsetzen
f′(2) = 0,1353·(1 + (−2)) = −0,1353
Antwort
f′(2) = −0,1353
6.Ableitungen
Antwort: x = 1
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 − 18x + 15 = 3·(x2 − 6x + 5)
f′(x) = 0 lösen
x = 1 oder x = 5
Welches ist welches
f″(x) = 6x − 18: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(1) = −12, f″(5) = 12
x = 1
Antwort
x = 1
7.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 0,0001645
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.
Exakter Wert
I = 0,459698
Simpson-Regel
S = (0,5/3)·(0 + 4·0,479426 + 0,841471) = 0,459862
Fehler
|E| = |0,459862 − 0,459698| = 0,0001645
Antwort
|E| = 0,0001645
Relativer Fehler: 0,03578 %.
8.Numerische Verfahren
Antwort: y3 = −0,1356
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.