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
Eine Tasse Kaffee mit 82 °C steht in einem Raum mit 20 °C. Nach 20 min beträgt die Temperatur 54 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wie lange nach dem Start, t, dauert es, bis 71 °C erreicht sind?
T0 = 82 °CTa = 20 °CT(20) = 54 °CT = 71 °C
t = min
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + 3y′ + 27,25y = 136,3 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme y(0,75); Winkel im Bogenmaß.
y″ + 3y′ + 27,25y = 136,3y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₀2 x·sin x dx (x im Bogenmaß).
∫₀2 x·sin x dx
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = x eingeschlossen wird.
y = 2x2y = x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = (2x + 1)4. Bestimme f′(−1).
f(x) = (2x + 1)4x = −1
f′(−1) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 2x2 − x − 4 bei x = 3 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 2x2 − x − 4x = 3
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫01,5 1/(1 + x³) dx mit der Trapezregel mit n = 3 Streifen an. Gib T an.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 3
T =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Verwende das Euler-Verfahren mit h = 0,25 für y′ = cos t − y, y(0) = 0,5, um y3 ≈ y(0,75) zu schätzen.
y′ = cos t − yy(0) = 0,5h = 0,25
y3 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: t = 6,502 min
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.
Abkühlungskonstante
k = ln(62/34)/20 = 0,03004 min⁻¹
Zeit bis zum Zielwert
t = ln(62/51)/0,03004 = 6,502 min
Antwort
t = 6,502 min
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.75) = 6,61
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.
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
(−2·cos 2 + sin 2) − (0 + 0) = 1,742
Antwort
I = 1,742
4.Integrale
Antwort: A = 0,04167
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
2x2 = x → x = 0, x = 0,5
Obere minus untere integrieren
A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167
Antwort
A = 0,04167
5.Ableitungen
Antwort: f′(−1) = −8
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
f′(x) = 4·(2x + 1)3·2
Einsetzen
f′(−1) = 4·(−1)3·2 = −8
Antwort
f′(−1) = −8
6.Ableitungen
Antwort: b = −22
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(3) = 11
f′(x) = 4x − 1 → f′(3) = 11
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 11 − 11·3 = −22
Antwort
b = −22
7.Numerische Verfahren
Antwort: T = 1,002
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: y3 = 0,7526
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.