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″ + 7y′ + 12y = 0 mit y(0) = 4 und y′(0) = 2. Bestimme y(0,5).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 4y′(0) = 2
y(0.5) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein Behälter enthält 400 L Wasser, in dem 10 kg Salz gelöst sind. Salzlösung mit 0,05 kg Salz pro Liter fließt mit 10 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Nach wie vielen Minuten t enthält der Behälter 17 kg Salz?
V = 400 Lm0 = 10 kgc = 0,05 kg/Lr = 10 L/min
t = min
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫02 ex dx.
f(x) = ex[0, 2]
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 9 − x² und der x-Achse.
y = 9 − x²
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·sin(x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(1).
f(x) = x·sin(x)x = 1 rad
f′(1) =
6.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 − 9x2 + 24x − 1. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Minimums.
f(x) = x3 − 9x2 + 24x − 1
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
Die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs wird alle 5 s gemessen (Tabelle). Schätze die von t = 0 bis t = 30 s zurückgelegte Strecke s mit der Simpson-Regel.
h = 5 sn = 6
s = m
8.Numerische VerfahrenSchwer
Führe einen Schritt des klassischen Runge-Kutta-Verfahrens (RK4) mit h = 0,1 für y′ = t² + y², y(0) = 0,5, aus. Bestimme y₁ ≈ y(0,1).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.5) = 2,122
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.
Charakteristische Wurzeln
(r + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Konstanten aus den Anfangswerten
A + B = 4, −3A − 4B = 2
A = 18, B = −14
Auswerten
y(0,5) = 18·e−1,5 + (−14)·e−2 = 2,122
Antwort
y(0,5) = 2,122
2.Differentialgleichungen
Antwort: t = 48,16 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.
Ergebnis
m(t) = 20 + (−10)·e−t/40
Nach t auflösen
e−t/40 = (20 − 17)/(20 − 10) = 0,3
t = 40·ln(3,333) = 48,16 min
Antwort
t = 48,16 min
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 = 36
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
9 − x² = 0 → x = ±3
Integrieren
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Antwort
A = 36
5.Ableitungen
Antwort: f′(1) = 1,382
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(x) + x·cos(x)
Einsetzen
f′(1) = 0,8415 + 1·0,5403 = 1,382
Antwort
f′(1) = 1,382
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 − 18x + 24 = 3·(x2 − 6x + 8)
f′(x) = 0 lösen
x = 2 oder x = 4
Welches ist welches
f″(x) = 6x − 18: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(2) = −6, f″(4) = 6
x = 4
Antwort
x = 4
7.Numerische Verfahren
Antwort: s = 225 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
6 + 4·9 + 2·8 + 4·6 + 2·5 + 4·9 + 7 = 135
Simpson-Regel
s = (5/3)·135 = 225 m
Antwort
s = 225 m
8.Numerische Verfahren
Antwort: y1 = 0,5267
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.