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 300 °C kühlt in einer Werkstatt mit 28 °C ab. Nach 47 min beträgt die Temperatur 94 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wie lange nach dem Start, t, dauert es, bis 64 °C erreicht sind?
T0 = 300 °CTa = 28 °CT(47) = 94 °CT = 64 °C
t = min
2.DifferentialgleichungenSchwer
Löse y″ + 3y′ + 6,25y = 0 mit y(0) = 10 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(0,5); Winkel im Bogenmaß.
y″ + 3y′ + 6,25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₀2 x·cos x dx (x im Bogenmaß).
∫₀2 x·cos x dx
I =
4.IntegraleSchwer
Das Gebiet zwischen der Geraden y = 2x und der Parabel y = 0,5x² wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers.
y = 2xy = 0,5x²
V =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = ln(3x2 + 4). Bestimme f′(3).
f(x) = ln(3x2 + 4)x = 3
f′(3) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 3x2 − 4x + 3 bei x = −2 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 3x2 − 4x + 3x = −2
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫14 1/x dx mit der Trapezregel, n = 2, an und vergleiche mit dem exakten Wert. Bestimme den absoluten Fehler |E| = |T − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 4]n = 2
|E| =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Verwende das Euler-Verfahren mit h = 0,5 für y′ = t − y, y(0) = 1, um y5 ≈ y(2,5) zu schätzen.
y′ = t − yy(0) = 1h = 0,5
y5 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: t = 67,12 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(272/66)/47 = 0,03013 min⁻¹
Zeit bis zum Zielwert
t = ln(272/36)/0,03013 = 67,12 min
Antwort
t = 67,12 min
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.5) = 5,533
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.
Komplexe Wurzeln
r = −1,5 ± 2j
Konstanten
A = 10, B = 1,5·10/2 = 7,5
Auswerten
y(0,5) = e−0,75(10·cos 1 + 7,5·sin 1) = 5,533
Antwort
y(0,5) = 5,533
3.Integrale
Antwort: I = 0,4024
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 = cos x dx, v = sin x
Stammfunktion
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Grenzwerte
(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0,4024
Antwort
I = 0,4024
4.Integrale
Antwort: V = 107,2
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 = 0,5x² → x = 0, x = 4
Ringmethode
V = π∫₀4 ((2x)² − (0,5x²)²) dx
Integrieren
V = π(4·4³/3 − 0,25·4⁵/5) = π·34,13 = 107,2
Antwort
V = 107,2
5.Ableitungen
Antwort: f′(3) = 0,5806
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 + 4)
Einsetzen
f′(3) = 18/31 = 0,5806
Antwort
f′(3) = 0,5806
6.Ableitungen
Antwort: b = −9
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) = 23
f′(x) = 6x − 4 → f′(−2) = −16
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 23 − (−16)·(−2) = −9
Antwort
b = −9
7.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 0,1512
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 = 1,386294
Trapezregel
T = (1,5/2)·(1 + 2·0,4 + 0,25) = 1,5375
Fehler
|E| = |1,5375 − 1,386294| = 0,1512
Antwort
|E| = 0,1512
Relativer Fehler: 10,91 %.
8.Numerische Verfahren
Antwort: y5 = 1,563
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.