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 92 °C steht in einem Raum mit 19 °C. Nach 30 min beträgt die Temperatur 21 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.
T0 = 92 °CTa = 19 °CT(30) = 21 °C
k = min⁻¹
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + y′ + 9,25y = 18,5 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme den Spitzenwert ymax seiner Sprungantwort.
y″ + y′ + 9,25y = 18,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 1 − x² und der x-Achse.
y = 1 − x²
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = ln(2x2 + 4). Bestimme f′(−2).
f(x) = ln(2x2 + 4)x = −2
f′(−2) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 3x2 + 3x − 1 bei x = −2 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 3x2 + 3x − 1x = −2
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs wird alle 1 s gemessen (Tabelle). Schätze die von t = 0 bis t = 6 s zurückgelegte Strecke s mit der Simpson-Regel.
h = 1 sn = 6
s = m
8.Numerische VerfahrenSchwer
Führe einen Schritt des klassischen Runge-Kutta-Verfahrens (RK4) mit h = 0,1 für y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0, aus. Bestimme y₁ ≈ y(0,1).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,1
y1 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: k = 0,1199 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−30k = 2/73
Nach k auflösen
k = ln(73/2)/30 = 0,1199 min⁻¹
Antwort
k = 0,1199 min⁻¹
2.Differentialgleichungen
Antwort: ymax = 3,185
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 ± 3j
Konstanten aus den Anfangswerten
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 3B = 0 → B = −0,3333
Spitzenwert
t = π/3 = 1,047
ymax = 2·(1 + e−0,5·π/3) = 3,185
Antwort
ymax = 3,185
3.Integrale
Antwort: I = 156
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.
Substitution
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u3 du
Integrieren und auswerten
I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156
Antwort
I = 156
4.Integrale
Antwort: A = 1,333
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
1 − x² = 0 → x = ±1
Integrieren
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Antwort
A = 1,333
5.Ableitungen
Antwort: f′(−2) = −0,6667
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) = 4x/(2x2 + 4)
Einsetzen
f′(−2) = −8/12 = −0,6667
Antwort
f′(−2) = −0,6667
6.Ableitungen
Antwort: b = −13
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) = 5
f′(x) = 6x + 3 → f′(−2) = −9
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 5 − (−9)·(−2) = −13
Antwort
b = −13
7.Numerische Verfahren
Antwort: s = 60 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
3 + 4·4 + 2·6 + 4·12 + 2·10 + 4·16 + 17 = 180
Simpson-Regel
s = (1/3)·180 = 60 m
Antwort
s = 60 m
8.Numerische Verfahren
Antwort: y1 = 0,1003
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.