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
Löse y″ + 3y′ + 2y = 0 mit y(0) = 5 und y′(0) = 2. Bestimme y(2).
y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(2) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Löse y″ + 4y′ + 29y = 0 mit y(0) = 2 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(1,5); Winkel im Bogenmaß.
y″ + 4y′ + 29y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫13 2/x dx.
f(x) = 2/x[1, 3]
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = x eingeschlossen wird.
y = 2x2y = x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = (2x − 3)5. Bestimme f′(1).
f(x) = (2x − 3)5x = 1
f′(1) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = −x2 + 4x bei x = 3 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = −x2 + 4xx = 3
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Die Trapezregel wird für ∫02 eˣ dx verwendet. Der Fehler beträgt höchstens (b − a)³·M/(12n²) mit M = max|f″| auf [0, 2]. Bestimme die kleinste Anzahl n von Streifen, die einen Fehler unter 0,0001 garantiert.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]ε = 0,0001
n =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Verwende das Euler-Verfahren mit h = 0,2 für y′ = t − y, y(0) = 1, um y3 ≈ y(0,6) zu schätzen.
y′ = t − yy(0) = 1h = 0,2
y3 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(2) = 1,496
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.
Charakteristische Wurzeln
(r + 1)(r + 2) = 0 → r = −1, −2
Konstanten aus den Anfangswerten
A + B = 5, −1A − 2B = 2
A = 12, B = −7
Auswerten
y(2) = 12·e−2 + (−7)·e−4 = 1,496
Antwort
y(2) = 1,496
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 0,07188
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.
Komplexe Wurzeln
r = −2 ± 5j
Konstanten
A = 2, B = 2·2/5 = 0,8
Auswerten
y(1,5) = e−3(2·cos 7,5 + 0,8·sin 7,5) = 0,07188
Antwort
y(1,5) = 0,07188
3.Integrale
Antwort: I = 2,197
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) = 2·ln x
An den Grenzen auswerten
I = 2·(ln 3 − ln 1) = 2·ln 3 = 2,197
Antwort
I = 2,197
4.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
5.Ableitungen
Antwort: f′(1) = 10
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
f′(x) = 5·(2x − 3)4·2
Einsetzen
f′(1) = 5·(−1)4·2 = 10
Antwort
f′(1) = 10
6.Ableitungen
Antwort: b = 9
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.
Punkt und Steigung
f(3) = 3
f′(x) = −2x + 4 → f′(3) = −2
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 3 − (−2)·3 = 9
Antwort
b = 9
7.Numerische Verfahren
Antwort: n = 222
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.
Schranke für die zweite Ableitung
M = e2 = 7,389
Nach n auflösen
n² > 8·7,389/(12·0,0001) = 49260
n > 221,9 → n = 222
Antwort
n = 222
8.Numerische Verfahren
Antwort: y3 = 0,624
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.