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 Getränkedose mit 6 °C wird aus dem Kühlschrank in einen Raum mit 29 °C gebracht. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme mit k = 0,09 min⁻¹ die Temperatur T nach 15 min.
T0 = 6 °CTa = 29 °Ck = 0,09 min⁻¹t = 15 min
T = °C
2.DifferentialgleichungenSchwer
Löse y″ + 2y′ + 17y = 0 mit y(0) = 3 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(0,25); Winkel im Bogenmaß.
y″ + 2y′ + 17y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntegraleMittel
Das Gebiet unter y = 0,5x von x = 0 bis x = 1 wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers (ein Kegel).
y = 0,5x0 ≤ x ≤ 1
V =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = 4x eingeschlossen wird.
y = 2x2y = 4x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·sin(3x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(1).
f(x) = x·sin(3x)x = 1 rad
f′(1) =
6.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 + 3x2 − 9x − 5. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Minimums.
f(x) = x3 + 3x2 − 9x − 5
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
Die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs wird alle 10 s gemessen (Tabelle). Schätze die von t = 0 bis t = 60 s zurückgelegte Strecke s mit der Simpson-Regel.
h = 10 sn = 6
s = m
8.Numerische VerfahrenSchwer
Löse y′ = y(2 − y), y(0) = 0,5 mit dem Euler-Verfahren und der Schrittweite h = 0,2 bis t = 0,8. Die exakte Lösung ist y = 2y₀/(y₀ + (2 − y₀)e−2t). Bestimme den globalen Fehler |E| = |y(0,8) − y4|.
y′ = y(2 − y)y(0) = 0,5h = 0,2
|E| =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: T = 23,04 °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) = 29 + (−23)·e−0,09t
t einsetzen
T(15) = 29 + (−23)·0,2592 = 23,04 °C
Antwort
T = 23,04 °C
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.25) = 1,754
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 = 3, B = 1·3/4 = 0,75
Auswerten
y(0,25) = e−0,25(3·cos 1 + 0,75·sin 1) = 1,754
Antwort
y(0,25) = 1,754
3.Integrale
Antwort: V = 0,2618
Rotationsvolumen: Dreht man das Gebiet unter y = f(x) von x = a bis x = b um die x-Achse, entsteht ein Körper, dessen Querschnitt bei x eine Kreisscheibe mit Radius f(x) ist. Die Summe der Scheiben ergibt V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Liegt das Gebiet zwischen einer äußeren Kurve R(x) und einer inneren Kurve r(x), ist jede Scheibe ein Ring: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Quadriere die Radien, bevor du sie subtrahierst.
Scheibenmethode
V = π∫₀1 0,25x² dx
Integrieren
V = π·0,25·1³/3 = 0,2618
Antwort
V = 0,2618
Kontrolle: Ein Kegel mit dem Radius 0,5 und der Höhe 1 hat (1/3)πr²h = 0,2618.
4.Integrale
Antwort: A = 2,667
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
2x2 = 4x → x = 0, x = 2
Obere minus untere integrieren
A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667
Antwort
A = 2,667
5.Ableitungen
Antwort: f′(1) = −2,829
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(3x) + 3x·cos(3x)
Einsetzen
f′(1) = 0,1411 + 3·(−0,99) = −2,829
Antwort
f′(1) = −2,829
6.Ableitungen
Antwort: x = 1
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 + 6x − 9 = 3·(x2 + 2x − 3)
f′(x) = 0 lösen
x = −3 oder x = 1
Welches ist welches
f″(x) = 6x + 6: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(−3) = −12, f″(1) = 12
x = 1
Antwort
x = 1
7.Numerische Verfahren
Antwort: s = 613,3 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 + 4·7 + 2·11 + 4·11 + 2·9 + 4·14 + 12 = 184
Simpson-Regel
s = (10/3)·184 = 613,3 m
Antwort
s = 613,3 m
8.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 0,02624
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 = 1,219335
Exakter Wert
y(0,8) = 1,245571
Globaler Fehler
|E| = |1,245571 − 1,219335| = 0,02624
Diagramm
Antwort
|E| = 0,02624
Eine Halbierung von h halbiert den Fehler des Euler-Verfahrens ungefähr.