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″ + 6y′ + 5y = 0 mit y(0) = 5 und y′(0) = -2. Bestimme y(1,5).
Das Gebiet zwischen der Geraden y = 6x und der Parabel y = 3x² wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers.
y = 6xy = 3x²
V =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x3·e−x. Bestimme f′(0,5).
f(x) = x3·e−xx = 0,5
f′(0.5) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 0,5x2 − 2x − 2 bei x = 1 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 0,5x2 − 2x − 2x = 1
b =
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
Verwende das Heun-Verfahren (verbessertes Euler-Verfahren) mit h = 0,5 für y′ = y − t², y(0) = 2, um y3 ≈ y(1,5) zu schätzen.
y′ = y − t²y(0) = 2h = 0,5
y3 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 1,283
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 + 5) = 0 → r = −1, −5
Konstanten aus den Anfangswerten
A + B = 5, −1A − 5B = -2
A = 5,75, B = −0,75
Auswerten
y(1,5) = 5,75·e−1,5 + (−0,75)·e−7,5 = 1,283
Antwort
y(1,5) = 1,283
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 0,4574
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 = e3t
(e3ty)′ = 4e2t
Allgemeine Lösung
y = 4/2·e−t + C·e−3t = 2·e−t + C·e−3t
Anfangsbedingung
3 = 2 + C → C = 1
Auswerten
y(1,5) = 2·0,2231 + 1·0,01111 = 0,4574
Antwort
y(1,5) = 0,4574
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: V = 120,6
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
6x = 3x² → x = 0, x = 2
Ringmethode
V = π∫₀2 ((6x)² − (3x²)²) dx
Integrieren
V = π(36·2³/3 − 9·2⁵/5) = π·38,4 = 120,6
Antwort
V = 120,6
5.Ableitungen
Antwort: f′(0.5) = 0,3791
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.
Produktregel
f′(x) = u′v + uv′ = e−x·(3x2 + (−1)·x3)
Einsetzen
f′(0,5) = 0,6065·(0,75 + (−0,125)) = 0,3791
Antwort
f′(0,5) = 0,3791
6.Ableitungen
Antwort: b = −2,5
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) = −3,5
f′(x) = x − 2 → f′(1) = −1
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −3,5 − (−1)·1 = −2,5
Antwort
b = −2,5
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: y3 = 6,921
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.