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) = 2 und y′(0) = -2. Bestimme y(1).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = -2
y(1) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein Behälter enthält 500 L Wasser, in dem 5 kg Salz gelöst sind. Salzlösung mit 0,05 kg Salz pro Liter fließt mit 5 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Nach wie vielen Minuten t enthält der Behälter 13 kg Salz?
V = 500 Lm0 = 5 kgc = 0,05 kg/Lr = 5 L/min
t = min
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₀2 x·cos x dx (x im Bogenmaß).
∫₀2 x·cos x dx
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = x2 und y = 2x eingeschlossen wird.
y = x2y = 2x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = (4x − 1)4. Bestimme f′(2).
f(x) = (4x − 1)4x = 2
f′(2) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 0,5x2 + 3x + 1 bei x = 1 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 0,5x2 + 3x + 1x = 1
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs wird alle 5 s gemessen (Tabelle). Schätze die von t = 0 bis t = 30 s zurückgelegte Strecke s mit der Simpson-Regel.
h = 5 sn = 6
s = m
8.Numerische VerfahrenSchwer
Löse y′ = 2y, y(0) = 3 mit dem Euler-Verfahren und der Schrittweite h = 0,5 bis t = 2. Die exakte Lösung ist y = y₀e2t. Bestimme den globalen Fehler |E| = |y(2) − y4|.
y′ = 2yy(0) = 3h = 0,5
|E| =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(1) = 0,2987
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) = 2
y′(0) = B − 3A → B = -2 + 6 = 4
Auswerten
y(1) = (2 + 4·1)·e−3 = 0,2987
Antwort
y(1) = 0,2987
2.Differentialgleichungen
Antwort: t = 51,08 min
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.
Ergebnis
m(t) = 25 + (−20)·e−t/100
Nach t auflösen
e−t/100 = (25 − 13)/(25 − 5) = 0,6
t = 100·ln(1,667) = 51,08 min
Antwort
t = 51,08 min
3.Integrale
Antwort: I = 0,4024
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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Stammfunktion
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Grenzwerte
(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0,4024
Antwort
I = 0,4024
4.Integrale
Antwort: A = 1,333
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
x2 = 2x → x = 0, x = 2
Obere minus untere integrieren
A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333
Antwort
A = 1,333
5.Ableitungen
Antwort: f′(2) = 5488
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) = 4·(4x − 1)3·4
Einsetzen
f′(2) = 4·73·4 = 5488
Antwort
f′(2) = 5488
6.Ableitungen
Antwort: b = 0,5
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) = 4,5
f′(x) = x + 3 → f′(1) = 4
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 4,5 − 4·1 = 0,5
Antwort
b = 0,5
7.Numerische Verfahren
Antwort: s = 313,3 m
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.
Gewichtete Summe
4 + 4·9 + 2·9 + 4·9 + 2·14 + 4·13 + 14 = 188
Simpson-Regel
s = (5/3)·188 = 313,3 m
Antwort
s = 313,3 m
8.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 115,8
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 = 48
Exakter Wert
y(2) = 163,79445
Globaler Fehler
|E| = |163,79445 − 48| = 115,8
Diagramm
Antwort
|E| = 115,8
Eine Halbierung von h halbiert den Fehler des Euler-Verfahrens ungefähr.