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′ + 8y = 0 mit y(0) = 1 und y′(0) = 2. Bestimme y(1,5).
y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 1y′(0) = 2
y(1.5) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Löse das Anfangswertproblem y′ + y/x = 5 für x > 0 mit y(1) = 0. Bestimme y(2).
y′ + y/x = 5y(1) = 0
y(2) =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫15 4/x dx.
f(x) = 4/x[1, 5]
I =
4.IntegraleSchwer
Das Gebiet zwischen der Geraden y = x und der Parabel y = 0,5x² wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers.
y = xy = 0,5x²
V =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·sin(3x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(0,5).
f(x) = x·sin(3x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = −x2 − 2x − 5 bei x = −2 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = −x2 − 2x − 5x = −2
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫02 √x·e−x dx mit der Simpson-Regel mit n = 2 Streifen an. Gib S an.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 2]n = 2
S =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Führe einen Schritt des klassischen Runge-Kutta-Verfahrens (RK4) mit h = 0,5 für y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5, aus. Bestimme y₁ ≈ y(0,5).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,5
y1 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 0,1444
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 + 4) = 0 → r = −2, −4
Konstanten aus den Anfangswerten
A + B = 1, −2A − 4B = 2
A = 3, B = −2
Auswerten
y(1,5) = 3·e−3 + (−2)·e−6 = 0,1444
Antwort
y(1,5) = 0,1444
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(2) = 3,75
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.
Integrierender Faktor
μ = e∫1/x dx = x1
Integrieren
(x1y)′ = 5x → x1y = 5x2/2 + C
Anfangsbedingung
0 = 5/2 + C → C = −2,5
Auswerten
y(2) = (5·22/2 + (−2,5))/21 = 3,75
Antwort
y(2) = 3,75
3.Integrale
Antwort: I = 6,438
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) = 4·ln x
An den Grenzen auswerten
I = 4·(ln 5 − ln 1) = 4·ln 5 = 6,438
Antwort
I = 6,438
4.Integrale
Antwort: V = 3,351
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
1x = 0,5x² → x = 0, x = 2
Ringmethode
V = π∫₀2 ((1x)² − (0,5x²)²) dx
Integrieren
V = π(1·2³/3 − 0,25·2⁵/5) = π·1,067 = 3,351
Antwort
V = 3,351
5.Ableitungen
Antwort: f′(0.5) = 1,104
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.
Produkt- und Kettenregel
f′(x) = sin(3x) + 3x·cos(3x)
Einsetzen
f′(0,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104
Antwort
f′(0,5) = 1,104
6.Ableitungen
Antwort: b = −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.
Punkt und Steigung
f(−2) = −5
f′(x) = −2x − 2 → f′(−2) = 2
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −5 − 2·(−2) = −1
Antwort
b = −1
7.Numerische Verfahren
Antwort: S = 0,5543
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.
Knoten und Werte
h = 1
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,367879 + 0,191393 = 1,662911
Simpson-Regel
S = (1/3)·1,662911 = 0,5543
Antwort
S = 0,5543
Dieses Integral hat keine elementare Stammfunktion, und genau dann braucht man eine numerische Regel.
8.Numerische Verfahren
Antwort: y1 = 1,108
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.