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″ + 7y′ + 10y = 0 mit y(0) = 1 und y′(0) = 6. Bestimme y(2).
y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 1y′(0) = 6
y(2) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + 2y′ + 5y = 5 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme y(0,25); Winkel im Bogenmaß.
y″ + 2y′ + 5y = 5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫13 1/x dx.
f(x) = 1/x[1, 3]
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = x2 und y = 3x eingeschlossen wird.
y = x2y = 3x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·e2x. Bestimme f′(1,5).
f(x) = x·e2xx = 1,5
f′(1.5) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 3x2 + 2x − 1 bei x = 3 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 3x2 + 2x − 1x = 3
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫13 1/x dx mit der Simpson-Regel, n = 2, an und vergleiche mit dem exakten Wert. Bestimme den absoluten Fehler |E| = |S − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]n = 2
|E| =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Verwende das Heun-Verfahren (verbessertes Euler-Verfahren) mit h = 0,2 für y′ = −2ty, y(0) = 2, um y2 ≈ y(0,4) zu schätzen.
y′ = −2tyy(0) = 2h = 0,2
y2 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(2) = 0,06704
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 + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5
Konstanten aus den Anfangswerten
A + B = 1, −2A − 5B = 6
A = 3,667, B = −2,667
Auswerten
y(2) = 3,667·e−4 + (−2,667)·e−10 = 0,06704
Antwort
y(2) = 0,06704
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.25) = 0,1298
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.
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) = ln x
An den Grenzen auswerten
I = (ln 3 − ln 1) = ln 3 = 1,099
Antwort
I = 1,099
4.Integrale
Antwort: A = 4,5
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 = 3x → x = 0, x = 3
Obere minus untere integrieren
A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5
Antwort
A = 4,5
5.Ableitungen
Antwort: f′(1.5) = 80,34
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′ = e2x·(1 + 2·x)
Einsetzen
f′(1,5) = 20,09·(1 + 3) = 80,34
Antwort
f′(1,5) = 80,34
6.Ableitungen
Antwort: b = −28
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) = 32
f′(x) = 6x + 2 → f′(3) = 20
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 32 − 20·3 = −28
Antwort
b = −28
7.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 0,0125
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 = 1,098612
Simpson-Regel
S = (1/3)·(1 + 4·0,5 + 0,333333) = 1,111111
Fehler
|E| = |1,111111 − 1,098612| = 0,0125
Antwort
|E| = 0,0125
Relativer Fehler: 1,138 %.
8.Numerische Verfahren
Antwort: y2 = 1,702
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.