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) = 1 und y′(0) = 4. Bestimme y(1,5).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 1y′(0) = 4
y(1.5) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Löse y′ + y = 7e−3t mit y(0) = 3. Bestimme y(1,5).
y′ + y = 7e−3ty(0) = 3
y(1.5) =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫01 e0,5x dx.
f(x) = e0,5x[0, 1]
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 0,5x2 und y = 2x eingeschlossen wird.
y = 0,5x2y = 2x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·sin(2x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(2).
f(x) = x·sin(2x)x = 2 rad
f′(2) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 0,5x2 + 4x − 2 bei x = −1 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 0,5x2 + 4x − 2x = −1
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫02 1/√(1 + x⁴) dx mit der Trapezregel mit n = 3 Streifen an. Gib T an.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 2]n = 3
T =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Löse y′ = −2ty, y(0) = −1 mit dem Euler-Verfahren und der Schrittweite h = 0,5 bis t = 1,5. Die exakte Lösung ist y = y₀e−t². Bestimme den globalen Fehler |E| = |y(1,5) − y3|.
y′ = −2tyy(0) = −1h = 0,5
|E| =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 0,07152
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 = 1, −3A − 4B = 4
A = 8, B = −7
Auswerten
y(1,5) = 8·e−4,5 + (−7)·e−6 = 0,07152
Antwort
y(1,5) = 0,07152
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 1,411
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.
Integrierender Faktor
μ = et
(ety)′ = 7e−2t
Allgemeine Lösung
y = 7/(−2)·e−3t + C·e−t = −3,5·e−3t + C·e−t
Anfangsbedingung
3 = −3,5 + C → C = 6,5
Auswerten
y(1,5) = −3,5·0,01111 + 6,5·0,2231 = 1,411
Antwort
y(1,5) = 1,411
3.Integrale
Antwort: I = 1,297
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) = e0,5x/0,5
An den Grenzen auswerten
I = (e0,5 − 1)/0,5 = (1,649 − 1)/0,5 = 1,297
Antwort
I = 1,297
4.Integrale
Antwort: A = 5,333
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.
Schnittpunkte
0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4
Obere minus untere integrieren
A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333
Antwort
A = 5,333
5.Ableitungen
Antwort: f′(2) = −3,371
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′(2) = −0,7568 + 4·(−0,6536) = −3,371
Antwort
f′(2) = −3,371
6.Ableitungen
Antwort: b = −2,5
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) = −5,5
f′(x) = x + 4 → f′(−1) = 3
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −5,5 − 3·(−1) = −2,5
Antwort
b = −2,5
7.Numerische Verfahren
Antwort: T = 1,35
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.
Dieses Integral hat keine elementare Stammfunktion, und genau dann braucht man eine numerische Regel.
8.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 0,1054
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.
Euler-Schritte
y3 = 0
Exakter Wert
y(1,5) = −0,105399
Globaler Fehler
|E| = |−0,105399 − 0| = 0,1054
Diagramm
Antwort
|E| = 0,1054
Eine Halbierung von h halbiert den Fehler des Euler-Verfahrens ungefähr.