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″ + 4y′ + 4y = 0 mit y(0) = 2 und y′(0) = 1. Bestimme y(1).
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 0,5x2 und y = 3x eingeschlossen wird.
y = 0,5x2y = 3x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·sin(3x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(2).
f(x) = x·sin(3x)x = 2 rad
f′(2) =
6.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x + 4. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Minimums.
f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x + 4
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫13 1/x dx mit der Simpson-Regel, n = 2, an und vergleiche mit dem exakten Wert. Bestimme den absoluten Fehler |E| = |S − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]n = 2
|E| =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Führe einen Schritt des klassischen Runge-Kutta-Verfahrens (RK4) mit h = 0,5 für y′ = e−ty, y(0) = 1, aus. Bestimme y₁ ≈ y(0,5).
y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,5
y1 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(1) = 0,9473
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 + 2)² = 0 → r = −2
Konstanten
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 2A → B = 1 + 4 = 5
Auswerten
y(1) = (2 + 5·1)·e−2 = 0,9473
Antwort
y(1) = 0,9473
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(2) = 1,462
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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 10e−2,5t
Allgemeine Lösung
y = 10/(−2,5)·e−3t + C·e−0,5t = −4·e−3t + C·e−0,5t
Anfangsbedingung
0 = −4 + C → C = 4
Auswerten
y(2) = −4·0,002479 + 4·0,3679 = 1,462
Antwort
y(2) = 1,462
3.Integrale
Antwort: I = 2,773
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) = 2·ln x
An den Grenzen auswerten
I = 2·(ln 8 − ln 2) = 2·ln 4 = 2,773
Antwort
I = 2,773
4.Integrale
Antwort: A = 18
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
0,5x2 = 3x → x = 0, x = 6
Obere minus untere integrieren
A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18
Antwort
A = 18
5.Ableitungen
Antwort: f′(2) = 5,482
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′(2) = −0,2794 + 6·0,9602 = 5,482
Antwort
f′(2) = 5,482
6.Ableitungen
Antwort: x = 4
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 − 21x + 36 = 3·(x2 − 7x + 12)
f′(x) = 0 lösen
x = 3 oder x = 4
Welches ist welches
f″(x) = 6x − 21: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(3) = −3, f″(4) = 3
x = 4
Antwort
x = 4
7.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 0,0125
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 = 1,098612
Simpson-Regel
S = (1/3)·(1 + 4·0,5 + 0,333333) = 1,111111
Fehler
|E| = |1,111111 − 1,098612| = 0,0125
Antwort
|E| = 0,0125
Relativer Fehler: 1,138 %.
8.Numerische Verfahren
Antwort: y1 = 1,371
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.