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
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
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
Berechne I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = x2 und y = x eingeschlossen wird.
y = x2y = x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x3·e2x. Bestimme f′(1,5).
f(x) = x3·e2xx = 1,5
f′(1.5) =
6.AbleitungenSchwer
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
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
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.
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.
Euler-Schritte
y4 = 0,71744
Exakter Wert
y(0,4) = 0,722263
Globaler Fehler
|E| = |0,722263 − 0,71744| = 0,004823
Diagramm
Antwort
|E| = 0,004823
Eine Halbierung von h halbiert den Fehler des Euler-Verfahrens ungefähr.