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″ + 7y′ + 12y = 0 mit y(0) = 4 und y′(0) = -4. Bestimme y(1,5).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 4y′(0) = -4
y(1.5) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + 3y′ + 6,25y = 31,25 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme den Spitzenwert ymax seiner Sprungantwort.
y″ + 3y′ + 6,25y = 31,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₁5 x·ln x dx.
∫₁5 x ln x dx
I =
4.IntegraleSchwer
Das Gebiet zwischen der Geraden y = 4x und der Parabel y = 3x² wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers.
y = 4xy = 3x²
V =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = ln(x2 + 2). Bestimme f′(1).
f(x) = ln(x2 + 2)x = 1
f′(1) =
6.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 + 9x2 + 24x + 1. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Minimums.
f(x) = x3 + 9x2 + 24x + 1
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫02 √(1 + x³) dx mit der Trapezregel mit n = 5 Streifen an. Gib T an.
f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 5
T =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Löse y′ = −2ty, y(0) = 2 mit dem Euler-Verfahren und der Schrittweite h = 0,2 bis t = 0,6. Die exakte Lösung ist y = y₀e−t². Bestimme den globalen Fehler |E| = |y(0,6) − y3|.
y′ = −2tyy(0) = 2h = 0,2
|E| =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 0,1135
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 + 4) = 0 → r = −3, −4
Konstanten aus den Anfangswerten
A + B = 4, −3A − 4B = -4
A = 12, B = −8
Auswerten
y(1,5) = 12·e−4,5 + (−8)·e−6 = 0,1135
Antwort
y(1,5) = 0,1135
2.Differentialgleichungen
Antwort: ymax = 5,474
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 = 5, r = −1,5 ± 2j
Konstanten aus den Anfangswerten
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1,5A + 2B = 0 → B = −3,75
Spitzenwert
t = π/2 = 1,571
ymax = 5·(1 + e−1,5·π/2) = 5,474
Antwort
ymax = 5,474
3.Integrale
Antwort: I = 14,12
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
(12,5·ln 5 − 6,25) − (0 − 0,25) = 14,12
Antwort
I = 14,12
4.Integrale
Antwort: V = 15,89
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
4x = 3x² → x = 0, x = 1,333
Ringmethode
V = π∫₀1,333 ((4x)² − (3x²)²) dx
Integrieren
V = π(16·1,333³/3 − 9·1,333⁵/5) = π·5,057 = 15,89
Antwort
V = 15,89
5.Ableitungen
Antwort: f′(1) = 0,6667
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) = 2x/(x2 + 2)
Einsetzen
f′(1) = 2/3 = 0,6667
Antwort
f′(1) = 0,6667
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 = −4 oder x = −2
Welches ist welches
f″(x) = 6x + 18: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(−4) = −6, f″(−2) = 6
x = −2
Antwort
x = −2
7.Numerische Verfahren
Antwort: T = 3,268
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.
Dieses Integral hat keine elementare Stammfunktion, und genau dann braucht man eine numerische Regel.
8.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 0,1502
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 = 1,5456
Exakter Wert
y(0,6) = 1,395353
Globaler Fehler
|E| = |1,395353 − 1,5456| = 0,1502
Diagramm
Antwort
|E| = 0,1502
Eine Halbierung von h halbiert den Fehler des Euler-Verfahrens ungefähr.