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 92 °C steht in einem Raum mit 18 °C. Nach 21 min beträgt die Temperatur 32 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.
T0 = 92 °CTa = 18 °CT(21) = 32 °C
k = min⁻¹
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + 3y′ + 18,25y = 18,25 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme den Spitzenwert ymax seiner Sprungantwort.
y″ + 3y′ + 18,25y = 18,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₀π/2 x·sin x dx (x im Bogenmaß).
∫₀π/2 x·sin x dx
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = x2 und y = 2x eingeschlossen wird.
y = x2y = 2x
A =
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 + x + 4 bei x = −2 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = −x2 + x + 4x = −2
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫01 √(1 + x³) dx mit der Simpson-Regel mit n = 2 Streifen an. Gib S an.
f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 2
S =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Löse y′ = t + y, y(0) = 1 mit dem Euler-Verfahren und der Schrittweite h = 0,2 bis t = 0,8. Die exakte Lösung ist y = −t − 1 + (y₀ + 1)eᵗ. Bestimme den globalen Fehler |E| = |y(0,8) − y4|.
y′ = t + yy(0) = 1h = 0,2
|E| =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: k = 0,07929 min⁻¹
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.
Verhältnis der Temperaturdifferenzen
e−21k = 14/74
Nach k auflösen
k = ln(74/14)/21 = 0,07929 min⁻¹
Antwort
k = 0,07929 min⁻¹
2.Differentialgleichungen
Antwort: ymax = 1,308
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.
Stationärer Wert und Wurzeln
yss = 1, r = −1,5 ± 4j
Konstanten aus den Anfangswerten
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1,5A + 4B = 0 → B = −0,375
Spitzenwert
t = π/4 = 0,7854
ymax = 1·(1 + e−1,5·π/4) = 1,308
Antwort
ymax = 1,308
3.Integrale
Antwort: I = 1
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 = sin x dx, v = −cos x
Stammfunktion
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Grenzwerte
(−π/2·cos π/2 + sin π/2) − (0 + 0) = 1
Antwort
I = 1
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.
Schnittpunkte
x2 = 2x → x = 0, x = 2
Obere minus untere integrieren
A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333
Antwort
A = 1,333
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 = 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.
Punkt und Steigung
f(−2) = −2
f′(x) = −2x + 1 → f′(−2) = 5
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −2 − 5·(−2) = 8
Antwort
b = 8
7.Numerische Verfahren
Antwort: S = 1,109
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 = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·1,06066 + 1,414214 = 6,656854
Simpson-Regel
S = (0,5/3)·6,656854 = 1,109
Antwort
S = 1,109
Dieses Integral hat keine elementare Stammfunktion, und genau dann braucht man eine numerische Regel.
8.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 0,3039
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
y4 = 2,3472
Exakter Wert
y(0,8) = 2,651082
Globaler Fehler
|E| = |2,651082 − 2,3472| = 0,3039
Diagramm
Antwort
|E| = 0,3039
Eine Halbierung von h halbiert den Fehler des Euler-Verfahrens ungefähr.