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′ + 4y = 0 mit y(0) = 3 und y′(0) = 1. Bestimme y(1,5).
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 0,5x2 und y = 3x eingeschlossen wird.
y = 0,5x2y = 3x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x2·e0,5x. Bestimme f′(1).
f(x) = x2·e0,5xx = 1
f′(1) =
6.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 − 6x2 + 3. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Minimums.
f(x) = x3 − 6x2 + 3
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫02 1/√(1 + x⁴) dx mit der Simpson-Regel mit n = 4 Streifen an. Gib S an.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 2]n = 4
S =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Löse y′ = 0,5y, y(0) = 3 mit dem Euler-Verfahren und der Schrittweite h = 0,2 bis t = 0,8. Die exakte Lösung ist y = y₀e0,5t. Bestimme den globalen Fehler |E| = |y(0,8) − y4|.
y′ = 0,5yy(0) = 3h = 0,2
|E| =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 0,6721
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.
Doppelte Wurzel
(r + 2)² = 0 → r = −2
Konstanten
A = y(0) = 3
y′(0) = B − 2A → B = 1 + 6 = 7
Auswerten
y(1,5) = (3 + 7·1,5)·e−3 = 0,6721
Antwort
y(1,5) = 0,6721
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 0,5698
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 = e2t
(e2ty)′ = 3et
Allgemeine Lösung
y = 3/1·e−t + C·e−2t = 3·e−t + C·e−2t
Anfangsbedingung
1 = 3 + C → C = −2
Auswerten
y(1,5) = 3·0,2231 + (−2)·0,04979 = 0,5698
Antwort
y(1,5) = 0,5698
3.Integrale
Antwort: I = 6,389
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.
Stammfunktion
F(x) = ex/1
An den Grenzen auswerten
I = (e2 − 1)/1 = (7,389 − 1)/1 = 6,389
Antwort
I = 6,389
4.Integrale
Antwort: A = 18
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
0,5x2 = 3x → x = 0, x = 6
Obere minus untere integrieren
A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18
Antwort
A = 18
5.Ableitungen
Antwort: f′(1) = 4,122
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′ = e0,5x·(2x + 0,5·x2)
Einsetzen
f′(1) = 1,649·(2 + 0,5) = 4,122
Antwort
f′(1) = 4,122
6.Ableitungen
Antwort: x = 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.
Ableitung
f′(x) = 3x2 − 12x = 3·(x2 − 4x)
f′(x) = 0 lösen
x = 0 oder x = 4
Welches ist welches
f″(x) = 6x − 12: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(0) = −12, f″(4) = 12
x = 4
Antwort
x = 4
7.Numerische Verfahren
Antwort: S = 1,36
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| = 0,08317
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 = 4,3923
Exakter Wert
y(0,8) = 4,475474
Globaler Fehler
|E| = |4,475474 − 4,3923| = 0,08317
Diagramm
Antwort
|E| = 0,08317
Eine Halbierung von h halbiert den Fehler des Euler-Verfahrens ungefähr.