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″ + 8y′ + 15y = 0 mit y(0) = 5 und y′(0) = 2. Bestimme y(2).
Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 4 − x² und der x-Achse.
y = 4 − x²
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = ln(3x2 + 4). Bestimme f′(−2).
f(x) = ln(3x2 + 4)x = −2
f′(−2) =
6.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 − 9x2 + 24x + 3. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Maximums.
f(x) = x3 − 9x2 + 24x + 3
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
Die Trapezregel wird für ∫02 eˣ dx verwendet. Der Fehler beträgt höchstens (b − a)³·M/(12n²) mit M = max|f″| auf [0, 2]. Bestimme die kleinste Anzahl n von Streifen, die einen Fehler unter 0,001 garantiert.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]ε = 0,001
n =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Löse y′ = t − y, y(0) = 1 mit dem Euler-Verfahren und der Schrittweite h = 0,1 bis t = 0,3. Die exakte Lösung ist y = t − 1 + (y₀ + 1)e−t. Bestimme den globalen Fehler |E| = |y(0,3) − y3|.
y′ = t − yy(0) = 1h = 0,1
|E| =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(2) = 0,03308
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 + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5
Konstanten aus den Anfangswerten
A + B = 5, −3A − 5B = 2
A = 13,5, B = −8,5
Auswerten
y(2) = 13,5·e−6 + (−8,5)·e−10 = 0,03308
Antwort
y(2) = 0,03308
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 2,492
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)′ = 5e−0,5t
Allgemeine Lösung
y = 5/(−0,5)·e−t + C·e−0,5t = −10·e−t + C·e−0,5t
Anfangsbedingung
0 = −10 + C → C = 10
Auswerten
y(1,5) = −10·0,2231 + 10·0,4724 = 2,492
Antwort
y(1,5) = 2,492
3.Integrale
Antwort: I = 7,34
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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Stammfunktion
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Grenzwerte
(8·ln 4 − 4) − (0 − 0,25) = 7,34
Antwort
I = 7,34
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′(−2) = −0,75
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 für den Logarithmus
f′(x) = 6x/(3x2 + 4)
Einsetzen
f′(−2) = −12/16 = −0,75
Antwort
f′(−2) = −0,75
6.Ableitungen
Antwort: x = 2
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 − 18x + 24 = 3·(x2 − 6x + 8)
f′(x) = 0 lösen
x = 2 oder x = 4
Welches ist welches
f″(x) = 6x − 18: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(2) = −6, f″(4) = 6
x = 2
Antwort
x = 2
7.Numerische Verfahren
Antwort: n = 71
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.
Schranke für die zweite Ableitung
M = e2 = 7,389
Nach n auflösen
n² > 8·7,389/(12·0,001) = 4926
n > 70,19 → n = 71
Antwort
n = 71
8.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 0,02364
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
y3 = 0,758
Exakter Wert
y(0,3) = 0,781636
Globaler Fehler
|E| = |0,781636 − 0,758| = 0,02364
Diagramm
Antwort
|E| = 0,02364
Eine Halbierung von h halbiert den Fehler des Euler-Verfahrens ungefähr.