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 Tasse Kaffee mit 90 °C steht in einem Raum mit 24 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme mit k = 0,1 min⁻¹ die Temperatur T nach 5 min.
T0 = 90 °CTa = 24 °Ck = 0,1 min⁻¹t = 5 min
T = °C
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein Behälter enthält 400 L Wasser, in dem 10 kg Salz gelöst sind. Salzlösung mit 0,1 kg Salz pro Liter fließt mit 2 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Nach wie vielen Minuten t enthält der Behälter 19 kg Salz?
V = 400 Lm0 = 10 kgc = 0,1 kg/Lr = 2 L/min
t = min
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₀π x·cos x dx (x im Bogenmaß).
∫₀π x·cos x dx
I =
4.IntegraleSchwer
Das Gebiet zwischen der Geraden y = 3x und der Parabel y = 2x² wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers.
y = 3xy = 2x²
V =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = (−2x − 1)4. Bestimme f′(1).
f(x) = (−2x − 1)4x = 1
f′(1) =
6.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 + 3x2 − 9x + 5. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Maximums.
f(x) = x3 + 3x2 − 9x + 5
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫01 1/(1 + x³) dx mit der Simpson-Regel mit n = 4 Streifen an. Gib S an.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 4
S =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Verwende das Heun-Verfahren (verbessertes Euler-Verfahren) mit h = 0,2 für y′ = e−ty, y(0) = 0,5, um y2 ≈ y(0,4) zu schätzen.
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,2
y2 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: T = 64,03 °C
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.
Lösung des Abkühlungsgesetzes
T(t) = 24 + 66·e−0,1t
t einsetzen
T(5) = 24 + 66·0,6065 = 64,03 °C
Antwort
T = 64,03 °C
2.Differentialgleichungen
Antwort: t = 71,33 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.
Ergebnis
m(t) = 40 + (−30)·e−t/200
Nach t auflösen
e−t/200 = (40 − 19)/(40 − 10) = 0,7
t = 200·ln(1,429) = 71,33 min
Antwort
t = 71,33 min
3.Integrale
Antwort: I = −2
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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Stammfunktion
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Grenzwerte
(π·sin π + cos π) − (0 + 1) = −2
Antwort
I = −2
4.Integrale
Antwort: V = 12,72
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.
Schnittpunkte
3x = 2x² → x = 0, x = 1,5
Ringmethode
V = π∫₀1,5 ((3x)² − (2x²)²) dx
Integrieren
V = π(9·1,5³/3 − 4·1,5⁵/5) = π·4,05 = 12,72
Antwort
V = 12,72
5.Ableitungen
Antwort: f′(1) = 216
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) = 4·(−2x − 1)3·(−2)
Einsetzen
f′(1) = 4·(−3)3·(−2) = 216
Antwort
f′(1) = 216
6.Ableitungen
Antwort: x = −3
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 + 6x − 9 = 3·(x2 + 2x − 3)
f′(x) = 0 lösen
x = −3 oder x = 1
Welches ist welches
f″(x) = 6x + 6: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(−3) = −12, f″(1) = 12
x = −3
Antwort
x = −3
7.Numerische Verfahren
Antwort: S = 0,8358
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: y2 = 0,845
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.