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″ + 4y′ + 3y = 0 mit y(0) = 3 und y′(0) = 2. Bestimme y(2).
y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(2) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein Behälter enthält 200 L reines Wasser. Salzlösung mit 0,2 kg Salz pro Liter fließt mit 2 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Nach wie vielen Minuten t enthält der Behälter 32 kg Salz?
V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 2 L/min
t = min
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
4.IntegraleSchwer
Das Gebiet zwischen der Geraden y = x und der Parabel y = x² wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers.
y = xy = x²
V =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = ln(2x2 + 1). Bestimme f′(−1).
f(x) = ln(2x2 + 1)x = −1
f′(−1) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 0,5x2 − x bei x = −2 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 0,5x2 − xx = −2
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫01 √x·e−x dx mit der Trapezregel mit n = 3 Streifen an. Gib T an.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 1]n = 3
T =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Verwende das Heun-Verfahren (verbessertes Euler-Verfahren) mit h = 0,1 für y′ = t² + y², y(0) = 1, um y2 ≈ y(0,2) zu schätzen.
y′ = t² + y²y(0) = 1h = 0,1
y2 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(2) = 0,7381
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 + 1)(r + 3) = 0 → r = −1, −3
Konstanten aus den Anfangswerten
A + B = 3, −1A − 3B = 2
A = 5,5, B = −2,5
Auswerten
y(2) = 5,5·e−2 + (−2,5)·e−6 = 0,7381
Antwort
y(2) = 0,7381
2.Differentialgleichungen
Antwort: t = 160,9 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) = 40 + (−40)·e−t/100
Nach t auflösen
e−t/100 = (40 − 32)/(40 − 0) = 0,2
t = 100·ln(5) = 160,9 min
Antwort
t = 160,9 min
3.Integrale
Antwort: I = 2,333
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.
Substitution
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du
Integrieren und auswerten
I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333
Antwort
I = 2,333
4.Integrale
Antwort: V = 0,4189
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.
Schnittpunkte
1x = 1x² → x = 0, x = 1
Ringmethode
V = π∫₀1 ((1x)² − (1x²)²) dx
Integrieren
V = π(1·1³/3 − 1·1⁵/5) = π·0,1333 = 0,4189
Antwort
V = 0,4189
5.Ableitungen
Antwort: f′(−1) = −1,333
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 für den Logarithmus
f′(x) = 4x/(2x2 + 1)
Einsetzen
f′(−1) = −4/3 = −1,333
Antwort
f′(−1) = −1,333
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) = 4
f′(x) = x − 1 → f′(−2) = −3
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 4 − (−3)·(−2) = −2
Antwort
b = −2
7.Numerische Verfahren
Antwort: T = 0,3389
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: y2 = 1,252
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.