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″ + 8y′ + 16y = 0 mit y(0) = 3 und y′(0) = 1. Bestimme y(0,5).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 3y′(0) = 1
y(0.5) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + y′ + 25,25y = 252,5 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme den Spitzenwert ymax seiner Sprungantwort.
y″ + y′ + 25,25y = 252,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫15 4/x dx.
f(x) = 4/x[1, 5]
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 0,5x2 und y = x eingeschlossen wird.
y = 0,5x2y = x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·e−x. Bestimme f′(0,5).
f(x) = x·e−xx = 0,5
f′(0.5) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 0,5x2 − 3x + 6 bei x = 1 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 0,5x2 − 3x + 6x = 1
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫02 x³ dx mit der Trapezregel, n = 2, an und vergleiche mit dem exakten Wert. Bestimme den absoluten Fehler |E| = |T − I|.
f(x) = x³[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Verwende das Euler-Verfahren mit h = 0,1 für y′ = y − t², y(0) = 2, um y4 ≈ y(0,4) zu schätzen.
y′ = y − t²y(0) = 2h = 0,1
y4 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.5) = 1,286
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 + 4)² = 0 → r = −4
Konstanten
A = y(0) = 3
y′(0) = B − 4A → B = 1 + 12 = 13
Auswerten
y(0,5) = (3 + 13·0,5)·e−2 = 1,286
Antwort
y(0,5) = 1,286
2.Differentialgleichungen
Antwort: ymax = 17,3
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 = −0,5 ± 5j
Konstanten aus den Anfangswerten
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 5B = 0 → B = −1
Spitzenwert
t = π/5 = 0,6283
ymax = 10·(1 + e−0,5·π/5) = 17,3
Antwort
ymax = 17,3
3.Integrale
Antwort: I = 6,438
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) = 4·ln x
An den Grenzen auswerten
I = 4·(ln 5 − ln 1) = 4·ln 5 = 6,438
Antwort
I = 6,438
4.Integrale
Antwort: A = 0,6667
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
0,5x2 = x → x = 0, x = 2
Obere minus untere integrieren
A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667
Antwort
A = 0,6667
5.Ableitungen
Antwort: f′(0.5) = 0,3033
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.
Produktregel
f′(x) = u′v + uv′ = e−x·(1 + (−1)·x)
Einsetzen
f′(0,5) = 0,6065·(1 + (−0,5)) = 0,3033
Antwort
f′(0,5) = 0,3033
6.Ableitungen
Antwort: b = 5,5
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.
Punkt und Steigung
f(1) = 3,5
f′(x) = x − 3 → f′(1) = −2
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 3,5 − (−2)·1 = 5,5
Antwort
b = 5,5
7.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 1
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 = 4
Trapezregel
T = (1/2)·(0 + 2·1 + 8) = 5
Fehler
|E| = |5 − 4| = 1
Antwort
|E| = 1
Relativer Fehler: 25 %.
8.Numerische Verfahren
Antwort: y4 = 2,914
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.