Differentialgleichungen: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 8 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Differentialgleichungen

Exponentielles Wachstum/exponentieller Zerfall
dy/dt = ky → y = y0ekt
Halbwertszeit
k = ln 2 / t½
Newtonsches Abkühlungsgesetz
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Integrierender Faktor
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Mischbehälter
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integrale

Potenzregel
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Bestimmtes Integral
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Wichtige Integrale
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Fläche zwischen Kurven
∫ab (f − g) dx

Methode

  1. Schreibe den Integranden, wenn möglich, als Summe einfacher Terme.
  2. Wende die Potenzregel an: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), und die Grundintegrale für ex, 1/x, sin und cos.
  3. Verwende Substitution, wenn du eine Funktion zusammen mit ihrer Ableitung siehst.
  4. Für ein bestimmtes Integral berechnest du F(b) − F(a).

Ableitungen

Potenzregel
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Produktregel
(uv)′ = u′v + uv′
Quotientenregel
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Kettenregel
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Wichtige Ableitungen
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Methode

  1. Erkenne die Struktur: Summe, Produkt, Quotient oder Verkettung.
  2. Wende die Potenzregel auf jede Potenz von x an.
  3. Verwende bei Bedarf Produkt-, Quotienten- oder Kettenregel.
  4. Vereinfache und werte an der Stelle aus, falls verlangt.

Numerische Verfahren

Bisektion
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton-Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Lineare Interpolation
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Trapezregel
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Simpson-Regel (n gerade)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Fehlerschranke der Trapezregel
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Methode

  1. 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.
  2. Für einen Tabellenwert: Interpoliere linear zwischen den beiden benachbarten Punkten.
  3. 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.
  4. 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
t (min)T (°C)24Ta​T = ?

Eine Tasse Kaffee mit 87 °C steht in einem Raum mit 22 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme mit k = 0,1 min⁻¹ die Temperatur T nach 24 min.

T0 = 87 °CTa = 22 °Ck = 0,1 min⁻¹t = 24 min
T = °C
2.DifferentialgleichungenSchwer
tyy(0) = 1y(1) = ?

Löse y″ + 2y′ + 17y = 0 mit y(0) = 1 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(1); Winkel im Bogenmaß.

y″ + 2y′ + 17y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1) =
3.IntegraleMittel
xy12,5y = x ln x

Berechne I = ∫₁2,5 x·ln x dx.

∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegraleSchwer
xyy = x2​y = x

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = x2 und y = x eingeschlossen wird.

y = x2y = x
A =
5.AbleitungenMittel
xyx = 1,5

Gegeben ist f(x) = x3·e2x. Bestimme f′(1,5).

f(x) = x3·e2xx = 1,5
f′(1.5) =
6.AbleitungenSchwer
xy

Gegeben ist f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x − 1. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Maximums.

f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x − 1
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
xy00,511,52

Nähere ∫02 e−x² dx mit der Simpson-Regel mit n = 4 Streifen an. Gib S an.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 2]n = 4
S =
8.Numerische VerfahrenSchwer
00,10,20,30,40,50,60,7ty(0, 0,5)

Löse y′ = y − t², y(0) = 0,5 mit dem Euler-Verfahren und der Schrittweite h = 0,1 bis t = 0,4. Die exakte Lösung ist y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Bestimme den globalen Fehler |E| = |y(0,4) − y4|.

y′ = y − t²y(0) = 0,5h = 0,1
|E| =

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: T = 27,9 °C

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.

Lösung des Abkühlungsgesetzes

T(t) = 22 + 65·e−0,1t

t einsetzen

T(24) = 22 + 65·0,09072 = 27,9 °C

Antwort

T = 27,9 °C
2.Differentialgleichungen

Antwort: y(1) = −0,3101

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.

Komplexe Wurzeln

r = −1 ± 4j

Konstanten

A = 1, B = 1·1/4 = 0,25

Auswerten

y(1) = e−1(1·cos 4 + 0,25·sin 4) = −0,3101

Antwort

y(1) = −0,3101
3.Integrale

Antwort: I = 1,551

Partielle Integration: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, aus der Produktregel. Wähle u als den Faktor, der beim Ableiten einfacher wird (eine Potenz von x oder ln x), und dv als den Faktor, den du integrieren kannst (eˣ, sin x, cos x oder x, wenn u = ln x). Werte bei einem bestimmten Integral u·v an beiden Grenzen aus: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Ein Faktor x² braucht zwei Runden.

u und dv wählen

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Stammfunktion

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Grenzwerte

(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551

Antwort

I = 1,551
4.Integrale

Antwort: A = 0,1667

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

x2 = x → x = 0, x = 1

Obere minus untere integrieren

A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667

Antwort

A = 0,1667
5.Ableitungen

Antwort: f′(1.5) = 271,2

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′ = e2x·(3x2 + 2·x3)

Einsetzen

f′(1,5) = 20,09·(6,75 + 6,75) = 271,2

Antwort

f′(1,5) = 271,2
6.Ableitungen

Antwort: x = −3

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 + 15x + 18 = 3·(x2 + 5x + 6)

f′(x) = 0 lösen

x = −3 oder x = −2

Welches ist welches

f″(x) = 6x + 15: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.

f″(−3) = −3, f″(−2) = 3
x = −3

Antwort

x = −3
7.Numerische Verfahren

Antwort: S = 0,8818

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.

ixᵢf(xᵢ)Gewicht001110,50,7788014210,367879231,50,1053994420,01831561

Knoten und Werte

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,778801 + 2·0,367879 + 4·0,105399 + 0,0183156 = 5,290875

Simpson-Regel

S = (0,5/3)·5,290875 = 0,8818

Antwort

S = 0,8818

Dieses Integral hat keine elementare Stammfunktion, und genau dann braucht man eine numerische Regel.

8.Numerische Verfahren

Antwort: |E| = 0,004823

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁000,50,50,5510,10,550,540,60420,20,6040,5640,660430,30,66040,57040,71744

Euler-Schritte

y4 = 0,71744

Exakter Wert

y(0,4) = 0,722263

Globaler Fehler

|E| = |0,722263 − 0,71744| = 0,004823
00,10,20,30,40,50,60,7ty

Diagramm

Antwort

|E| = 0,004823

Eine Halbierung von h halbiert den Fehler des Euler-Verfahrens ungefähr.

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