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′ + 3y = 0 mit y(0) = 2 und y′(0) = 2. Bestimme y(2).
y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(2) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + 3y′ + 27,25y = 54,5 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme den Spitzenwert ymax seiner Sprungantwort.
y″ + 3y′ + 27,25y = 54,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
4.IntegraleSchwer
Berechne I = ∫₀1 x²·eˣ dx.
∫₀1 x²eˣ dx
I =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·sin(x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(0,5).
f(x) = x·sin(x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 2x2 + 6 bei x = −1 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 2x2 + 6x = −1
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫01 eˣ dx mit der Trapezregel, n = 2, an und vergleiche mit dem exakten Wert. Bestimme den absoluten Fehler |E| = |T − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Löse y′ = −2ty, y(0) = 0,5 mit dem Euler-Verfahren und der Schrittweite h = 0,2 bis t = 0,8. Die exakte Lösung ist y = y₀e−t². Bestimme den globalen Fehler |E| = |y(0,8) − y4|.
y′ = −2tyy(0) = 0,5h = 0,2
|E| =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(2) = 0,5364
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 + 1)(r + 3) = 0 → r = −1, −3
Konstanten aus den Anfangswerten
A + B = 2, −1A − 3B = 2
A = 4, B = −2
Auswerten
y(2) = 4·e−2 + (−2)·e−6 = 0,5364
Antwort
y(2) = 0,5364
2.Differentialgleichungen
Antwort: ymax = 2,779
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 = 2, r = −1,5 ± 5j
Konstanten aus den Anfangswerten
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −0,6
Spitzenwert
t = π/5 = 0,6283
ymax = 2·(1 + e−1,5·π/5) = 2,779
Antwort
ymax = 2,779
3.Integrale
Antwort: I = 3,75
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.
Substitution
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u3 du
Integrieren und auswerten
I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3,75
Antwort
I = 3,75
4.Integrale
Antwort: I = 0,7183
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.
Erste Runde
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Zweite Runde
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Grenzwerte
2,718·(1) − 1·2 = 0,7183
Antwort
I = 0,7183
5.Ableitungen
Antwort: f′(0.5) = 0,9182
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(x) + x·cos(x)
Einsetzen
f′(0,5) = 0,4794 + 0,5·0,8776 = 0,9182
Antwort
f′(0,5) = 0,9182
6.Ableitungen
Antwort: b = 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.
Punkt und Steigung
f(−1) = 8
f′(x) = 4x → f′(−1) = −4
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 8 − (−4)·(−1) = 4
Antwort
b = 4
7.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 0,03565
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 = 1,718282
Trapezregel
T = (0,5/2)·(1 + 2·1,648721 + 2,718282) = 1,753931
Fehler
|E| = |1,753931 − 1,718282| = 0,03565
Antwort
|E| = 0,03565
Relativer Fehler: 2,075 %.
8.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 0,03002
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 = 0,293664
Exakter Wert
y(0,8) = 0,263646
Globaler Fehler
|E| = |0,263646 − 0,293664| = 0,03002
Diagramm
Antwort
|E| = 0,03002
Eine Halbierung von h halbiert den Fehler des Euler-Verfahrens ungefähr.