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″ + 6y′ + 9y = 0 mit y(0) = 3 und y′(0) = -2. Bestimme y(1,5).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 3y′(0) = -2
y(1.5) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + 3y′ + 6,25y = 62,5 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme den Spitzenwert ymax seiner Sprungantwort.
y″ + 3y′ + 6,25y = 62,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫01 e−x dx.
f(x) = e−x[0, 1]
I =
4.IntegraleSchwer
Das Gebiet zwischen der Geraden y = 2x und der Parabel y = x² wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers.
y = 2xy = x²
V =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = (4x + 5)3. Bestimme f′(2).
f(x) = (4x + 5)3x = 2
f′(2) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 0,5x2 + 4x + 6 bei x = 2 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 0,5x2 + 4x + 6x = 2
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫01 1/(1 + x³) dx mit der Trapezregel mit n = 2 Streifen an. Gib T an.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 2
T =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Führe einen Schritt des klassischen Runge-Kutta-Verfahrens (RK4) mit h = 0,1 für y′ = e−ty, y(0) = 1, aus. Bestimme y₁ ≈ y(0,1).
y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,1
y1 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 0,15
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.
Doppelte Wurzel
(r + 3)² = 0 → r = −3
Konstanten
A = y(0) = 3
y′(0) = B − 3A → B = -2 + 9 = 7
Auswerten
y(1,5) = (3 + 7·1,5)·e−4,5 = 0,15
Antwort
y(1,5) = 0,15
2.Differentialgleichungen
Antwort: ymax = 10,95
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 = 10, r = −1,5 ± 2j
Konstanten aus den Anfangswerten
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 2B = 0 → B = −7,5
Spitzenwert
t = π/2 = 1,571
ymax = 10·(1 + e−1,5·π/2) = 10,95
Antwort
ymax = 10,95
3.Integrale
Antwort: I = 0,6321
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) = e−x/(−1)
An den Grenzen auswerten
I = (e−1 − 1)/(−1) = (0,3679 − 1)/(−1) = 0,6321
Antwort
I = 0,6321
4.Integrale
Antwort: V = 13,4
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 = 1x² → x = 0, x = 2
Ringmethode
V = π∫₀2 ((2x)² − (1x²)²) dx
Integrieren
V = π(4·2³/3 − 1·2⁵/5) = π·4,267 = 13,4
Antwort
V = 13,4
5.Ableitungen
Antwort: f′(2) = 2028
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
f′(x) = 3·(4x + 5)2·4
Einsetzen
f′(2) = 3·132·4 = 2028
Antwort
f′(2) = 2028
6.Ableitungen
Antwort: b = 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.
Punkt und Steigung
f(2) = 16
f′(x) = x + 4 → f′(2) = 6
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 16 − 6·2 = 4
Antwort
b = 4
7.Numerische Verfahren
Antwort: T = 0,8194
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.
Knoten und Werte
h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,888889 + 0,5 = 3,277778
Trapezregel
T = (0,5/2)·3,277778 = 0,8194
Antwort
T = 0,8194
Dieses Integral hat keine elementare Stammfunktion, und genau dann braucht man eine numerische Regel.
8.Numerische Verfahren
Antwort: y1 = 1,095
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.