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′ + 12y = 0 mit y(0) = 3 und y′(0) = 0. Bestimme y(0,5).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.5) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein Behälter enthält 100 L Wasser, in dem 20 kg Salz gelöst sind. Salzlösung mit 0,25 kg Salz pro Liter fließt mit 2 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Wie viel Salz m ist nach 75 min im Behälter?
V = 100 Lm0 = 20 kgc = 0,25 kg/Lr = 2 L/min
m = kg
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫01 e2x dx.
f(x) = e2x[0, 1]
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 1 − x² und der x-Achse.
y = 1 − x²
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = ln(2x2 + 2). Bestimme f′(−2).
f(x) = ln(2x2 + 2)x = −2
f′(−2) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 0,5x2 + 4x − 2 bei x = 1 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 0,5x2 + 4x − 2x = 1
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫01,5 1/√(1 + x⁴) dx mit der Simpson-Regel mit n = 6 Streifen an. Gib S an.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1,5]n = 6
S =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Löse y′ = −2ty, y(0) = 3 mit dem Euler-Verfahren und der Schrittweite h = 0,25 bis t = 0,75. Die exakte Lösung ist y = y₀e−t². Bestimme den globalen Fehler |E| = |y(0,75) − y3|.
y′ = −2tyy(0) = 3h = 0,25
|E| =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.5) = 1,46
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 + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Konstanten aus den Anfangswerten
A + B = 3, −3A − 4B = 0
A = 12, B = −9
Auswerten
y(0,5) = 12·e−1,5 + (−9)·e−2 = 1,46
Antwort
y(0,5) = 1,46
2.Differentialgleichungen
Antwort: m = 23,88 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 = 2·0,25 − (2/100)·m = 0,5 − 0,02·m
Lösen
Der integrierende Faktor ist ert/V; die Lösung nähert sich dem Gleichgewicht c·V.
m(t) = 25 + (−5)·e−t/50
t einsetzen
m(75) = 25 + (−5)·0,2231 = 23,88 kg
Antwort
m = 23,88 kg
3.Integrale
Antwort: I = 3,195
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) = e2x/2
An den Grenzen auswerten
I = (e2 − 1)/2 = (7,389 − 1)/2 = 3,195
Antwort
I = 3,195
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.
Nullstellen
1 − x² = 0 → x = ±1
Integrieren
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Antwort
A = 1,333
5.Ableitungen
Antwort: f′(−2) = −0,8
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) = 4x/(2x2 + 2)
Einsetzen
f′(−2) = −8/10 = −0,8
Antwort
f′(−2) = −0,8
6.Ableitungen
Antwort: b = −2,5
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(1) = 2,5
f′(x) = x + 4 → f′(1) = 5
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 2,5 − 5·1 = −2,5
Antwort
b = −2,5
7.Numerische Verfahren
Antwort: S = 1,2
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.
Dieses Integral hat keine elementare Stammfunktion, und genau dann braucht man eine numerische Regel.
8.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 0,2594
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.
Euler-Schritte
y3 = 1,96875
Exakter Wert
y(0,75) = 1,709348
Globaler Fehler
|E| = |1,709348 − 1,96875| = 0,2594
Diagramm
Antwort
|E| = 0,2594
Eine Halbierung von h halbiert den Fehler des Euler-Verfahrens ungefähr.