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
Ein geschmiedetes Stahlteil mit 400 °C kühlt in einer Werkstatt mit 29 °C ab. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme mit k = 0,01 min⁻¹ die Temperatur T nach 55 min.
T0 = 400 °CTa = 29 °Ck = 0,01 min⁻¹t = 55 min
T = °C
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + 2y′ + 17y = 85 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme y(0,25); Winkel im Bogenmaß.
y″ + 2y′ + 17y = 85y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫01 ex dx.
f(x) = ex[0, 1]
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 4 − x² und der x-Achse.
y = 4 − x²
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·sin(2x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(2).
f(x) = x·sin(2x)x = 2 rad
f′(2) =
6.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 − 15x2 + 63x − 4. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Maximums.
f(x) = x3 − 15x2 + 63x − 4
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫01 1/(1 + x³) dx mit der Trapezregel mit n = 4 Streifen an. Gib T an.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 4
T =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Löse y′ = y(2 − y), y(0) = 1 mit dem Euler-Verfahren und der Schrittweite h = 0,2 bis t = 1. Die exakte Lösung ist y = 2y₀/(y₀ + (2 − y₀)e−2t). Bestimme den globalen Fehler |E| = |y(1) − y5|.
y′ = y(2 − y)y(0) = 1h = 0,2
|E| =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: T = 243 °C
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.
Lösung des Abkühlungsgesetzes
T(t) = 29 + 371·e−0,01t
t einsetzen
T(55) = 29 + 371·0,5769 = 243 °C
Antwort
T = 243 °C
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.25) = 2,077
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.
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 = (e1 − 1)/1 = (2,718 − 1)/1 = 1,718
Antwort
I = 1,718
4.Integrale
Antwort: A = 10,67
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.
Nullstellen
4 − x² = 0 → x = ±2
Integrieren
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Antwort
A = 10,67
5.Ableitungen
Antwort: f′(2) = −3,371
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(2x) + 2x·cos(2x)
Einsetzen
f′(2) = −0,7568 + 4·(−0,6536) = −3,371
Antwort
f′(2) = −3,371
6.Ableitungen
Antwort: x = 3
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 − 30x + 63 = 3·(x2 − 10x + 21)
f′(x) = 0 lösen
x = 3 oder x = 7
Welches ist welches
f″(x) = 6x − 30: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(3) = −12, f″(7) = 12
x = 3
Antwort
x = 3
7.Numerische Verfahren
Antwort: T = 0,8317
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| = 0,03915
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
y5 = 1,800749
Exakter Wert
y(1) = 1,761594
Globaler Fehler
|E| = |1,761594 − 1,800749| = 0,03915
Diagramm
Antwort
|E| = 0,03915
Eine Halbierung von h halbiert den Fehler des Euler-Verfahrens ungefähr.