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″ + 8y′ + 15y = 0 mit y(0) = 5 und y′(0) = 2. Bestimme y(1,5).
y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(1.5) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein Behälter enthält 500 L reines Wasser. Salzlösung mit 0,25 kg Salz pro Liter fließt mit 2 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Wie viel Salz m ist nach 55 min im Behälter?
V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0,25 kg/Lr = 2 L/min
m = kg
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₀π/2 x·sin x dx (x im Bogenmaß).
∫₀π/2 x·sin x dx
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 1 − x² und der x-Achse.
y = 1 − x²
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·sin(2x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(0,5).
f(x) = x·sin(2x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = −x2 + 4x − 6 bei x = −2 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = −x2 + 4x − 6x = −2
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs wird alle 1 s gemessen (Tabelle). Schätze die von t = 0 bis t = 4 s zurückgelegte Strecke s mit der Simpson-Regel.
h = 1 sn = 4
s = m
8.Numerische VerfahrenSchwer
Führe einen Schritt des klassischen Runge-Kutta-Verfahrens (RK4) mit h = 0,2 für y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0, aus. Bestimme y₁ ≈ y(0,2).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,2
y1 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 0,1453
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 + 5) = 0 → r = −3, −5
Konstanten aus den Anfangswerten
A + B = 5, −3A − 5B = 2
A = 13,5, B = −8,5
Auswerten
y(1,5) = 13,5·e−4,5 + (−8,5)·e−7,5 = 0,1453
Antwort
y(1,5) = 0,1453
2.Differentialgleichungen
Antwort: m = 24,69 kg
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.
Die Gleichung aufstellen
dm/dt = 2·0,25 − (2/500)·m = 0,5 − 0,004·m
Lösen
Der integrierende Faktor ist ert/V; die Lösung nähert sich dem Gleichgewicht c·V.
m(t) = 125 + (−125)·e−t/250
t einsetzen
m(55) = 125 + (−125)·0,8025 = 24,69 kg
Antwort
m = 24,69 kg
3.Integrale
Antwort: I = 1
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 = sin x dx, v = −cos x
Stammfunktion
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Grenzwerte
(−π/2·cos π/2 + sin π/2) − (0 + 0) = 1
Antwort
I = 1
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.
Nullstellen
1 − x² = 0 → x = ±1
Integrieren
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Antwort
A = 1,333
5.Ableitungen
Antwort: f′(0.5) = 1,382
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′(0,5) = 0,8415 + 1·0,5403 = 1,382
Antwort
f′(0,5) = 1,382
6.Ableitungen
Antwort: b = −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.
Punkt und Steigung
f(−2) = −18
f′(x) = −2x + 4 → f′(−2) = 8
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −18 − 8·(−2) = −2
Antwort
b = −2
7.Numerische Verfahren
Antwort: s = 45,33 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
7 + 4·11 + 2·12 + 4·11 + 17 = 136
Simpson-Regel
s = (1/3)·136 = 45,33 m
Antwort
s = 45,33 m
8.Numerische Verfahren
Antwort: y1 = 0,2027
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.