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″ + 6y′ + 9y = 0 mit y(0) = 5 und y′(0) = -2. Bestimme y(0,5).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(0.5) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein Behälter enthält 500 L reines Wasser. Salzlösung mit 0,1 kg Salz pro Liter fließt mit 10 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Nach wie vielen Minuten t enthält der Behälter 35 kg Salz?
V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0,1 kg/Lr = 10 L/min
t = min
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫02 e0,5x dx.
f(x) = e0,5x[0, 2]
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 4 − x² und der x-Achse.
y = 4 − x²
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x3·e−0,5x. Bestimme f′(0,5).
f(x) = x3·e−0,5xx = 0,5
f′(0.5) =
6.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 + 1,5x2 − 6x + 2. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Minimums.
f(x) = x3 + 1,5x2 − 6x + 2
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫02 eˣ dx mit der Trapezregel, n = 2, an und vergleiche mit dem exakten Wert. Bestimme den absoluten Fehler |E| = |T − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Löse y′ = 1,5y, y(0) = 2 mit dem Euler-Verfahren und der Schrittweite h = 0,5 bis t = 2,5. Die exakte Lösung ist y = y₀e1,5t. Bestimme den globalen Fehler |E| = |y(2,5) − y5|.
y′ = 1,5yy(0) = 2h = 0,5
|E| =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.5) = 2,566
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.
Doppelte Wurzel
(r + 3)² = 0 → r = −3
Konstanten
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = -2 + 15 = 13
Auswerten
y(0,5) = (5 + 13·0,5)·e−1,5 = 2,566
Antwort
y(0,5) = 2,566
2.Differentialgleichungen
Antwort: t = 60,2 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) = 50 + (−50)·e−t/50
Nach t auflösen
e−t/50 = (50 − 35)/(50 − 0) = 0,3
t = 50·ln(3,333) = 60,2 min
Antwort
t = 60,2 min
3.Integrale
Antwort: I = 3,437
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) = e0,5x/0,5
An den Grenzen auswerten
I = (e1 − 1)/0,5 = (2,718 − 1)/0,5 = 3,437
Antwort
I = 3,437
4.Integrale
Antwort: A = 10,67
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
4 − x² = 0 → x = ±2
Integrieren
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Antwort
A = 10,67
5.Ableitungen
Antwort: f′(0.5) = 0,5354
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−0,5x·(3x2 + (−0,5)·x3)
Einsetzen
f′(0,5) = 0,7788·(0,75 + (−0,0625)) = 0,5354
Antwort
f′(0,5) = 0,5354
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 + 3x − 6 = 3·(x2 + x − 2)
f′(x) = 0 lösen
x = −2 oder x = 1
Welches ist welches
f″(x) = 6x + 3: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(−2) = −9, f″(1) = 9
x = 1
Antwort
x = 1
7.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 0,5238
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 = 6,389056
Trapezregel
T = (1/2)·(1 + 2·2,718282 + 7,389056) = 6,91281
Fehler
|E| = |6,91281 − 6,389056| = 0,5238
Antwort
|E| = 0,5238
Relativer Fehler: 8,198 %.
8.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 52,22
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
y5 = 32,826172
Exakter Wert
y(2,5) = 85,042164
Globaler Fehler
|E| = |85,042164 − 32,826172| = 52,22
Diagramm
Antwort
|E| = 52,22
Eine Halbierung von h halbiert den Fehler des Euler-Verfahrens ungefähr.