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 85 °C steht in einem Raum mit 21 °C. Nach 15 min beträgt die Temperatur 56 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wie lange nach dem Start, t, dauert es, bis 39 °C erreicht sind?
T0 = 85 °CTa = 21 °CT(15) = 56 °CT = 39 °C
t = min
2.DifferentialgleichungenSchwer
Löse y″ + 2y′ + 5y = 0 mit y(0) = 5 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(0,75); Winkel im Bogenmaß.
y″ + 2y′ + 5y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫14 3/x dx.
f(x) = 3/x[1, 4]
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = 3x eingeschlossen wird.
y = 2x2y = 3x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·sin(2x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(1).
f(x) = x·sin(2x)x = 1 rad
f′(1) =
6.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 − 12x2 + 45x + 2. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Minimums.
f(x) = x3 − 12x2 + 45x + 2
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
Die Trapezregel wird für ∫02 eˣ dx verwendet. Der Fehler beträgt höchstens (b − a)³·M/(12n²) mit M = max|f″| auf [0, 2]. Bestimme die kleinste Anzahl n von Streifen, die einen Fehler unter 0,0005 garantiert.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]ε = 0,0005
n =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Verwende das Heun-Verfahren (verbessertes Euler-Verfahren) mit h = 0,1 für y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 1, um y3 ≈ y(0,3) zu schätzen.
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 1h = 0,1
y3 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: t = 31,53 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(64/35)/15 = 0,04024 min⁻¹
Zeit bis zum Zielwert
t = ln(64/18)/0,04024 = 31,53 min
Antwort
t = 31,53 min
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.75) = 1,345
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 ± 2j
Konstanten
A = 5, B = 1·5/2 = 2,5
Auswerten
y(0,75) = e−0,75(5·cos 1,5 + 2,5·sin 1,5) = 1,345
Antwort
y(0,75) = 1,345
3.Integrale
Antwort: I = 4,159
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) = 3·ln x
An den Grenzen auswerten
I = 3·(ln 4 − ln 1) = 3·ln 4 = 4,159
Antwort
I = 4,159
4.Integrale
Antwort: A = 1,125
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 = 3x → x = 0, x = 1,5
Obere minus untere integrieren
A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125
Antwort
A = 1,125
5.Ableitungen
Antwort: f′(1) = 0,077
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′(1) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077
Antwort
f′(1) = 0,077
6.Ableitungen
Antwort: x = 5
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 − 24x + 45 = 3·(x2 − 8x + 15)
f′(x) = 0 lösen
x = 3 oder x = 5
Welches ist welches
f″(x) = 6x − 24: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(3) = −6, f″(5) = 6
x = 5
Antwort
x = 5
7.Numerische Verfahren
Antwort: n = 100
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.
Schranke für die zweite Ableitung
M = e2 = 7,389
Nach n auflösen
n² > 8·7,389/(12·0,0005) = 9852
n > 99,26 → n = 100
Antwort
n = 100
8.Numerische Verfahren
Antwort: y3 = 1,355
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.