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 Getränkedose mit 4 °C wird aus dem Kühlschrank in einen Raum mit 30 °C gebracht. Nach 9 min beträgt die Temperatur 12 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.
T0 = 4 °CTa = 30 °CT(9) = 12 °C
k = min⁻¹
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + y′ + 16,25y = 32,5 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme den Spitzenwert ymax seiner Sprungantwort.
y″ + y′ + 16,25y = 32,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₁4 x·ln x dx.
∫₁4 x ln x dx
I =
4.IntegraleSchwer
Das Gebiet zwischen der Geraden y = 2x und der Parabel y = x² wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers.
y = 2xy = x²
V =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = ln(3x2 + 1). Bestimme f′(2).
f(x) = ln(3x2 + 1)x = 2
f′(2) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 3x2 + 4x + 4 bei x = −2 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 3x2 + 4x + 4x = −2
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs wird alle 2 s gemessen (Tabelle). Schätze die von t = 0 bis t = 12 s zurückgelegte Strecke s mit der Simpson-Regel.
h = 2 sn = 6
s = m
8.Numerische VerfahrenSchwer
Verwende das Euler-Verfahren mit h = 0,5 für y′ = cos t − y, y(0) = −1, um y3 ≈ y(1,5) zu schätzen.
y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,5
y3 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: k = 0,04086 min⁻¹
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.
Verhältnis der Temperaturdifferenzen
e−9k = -18/-26
Nach k auflösen
k = ln(-26/-18)/9 = 0,04086 min⁻¹
Antwort
k = 0,04086 min⁻¹
2.Differentialgleichungen
Antwort: ymax = 3,35
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 = −0,5 ± 4j
Konstanten aus den Anfangswerten
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −0,25
Spitzenwert
t = π/4 = 0,7854
ymax = 2·(1 + e−0,5·π/4) = 3,35
Antwort
ymax = 3,35
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: V = 13,4
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
2x = 1x² → x = 0, x = 2
Ringmethode
V = π∫₀2 ((2x)² − (1x²)²) dx
Integrieren
V = π(4·2³/3 − 1·2⁵/5) = π·4,267 = 13,4
Antwort
V = 13,4
5.Ableitungen
Antwort: f′(2) = 0,9231
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 + 1)
Einsetzen
f′(2) = 12/13 = 0,9231
Antwort
f′(2) = 0,9231
6.Ableitungen
Antwort: b = −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.
Punkt und Steigung
f(−2) = 8
f′(x) = 6x + 4 → f′(−2) = −8
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 8 − (−8)·(−2) = −8
Antwort
b = −8
7.Numerische Verfahren
Antwort: s = 110 m
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.
Gewichtete Summe
7 + 4·10 + 2·10 + 4·10 + 2·10 + 4·8 + 6 = 165
Simpson-Regel
s = (2/3)·165 = 110 m
Antwort
s = 110 m
8.Numerische Verfahren
Antwort: y3 = 0,4895
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.