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 4 °C wird aus dem Kühlschrank in einen Raum mit 28 °C gebracht. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme mit k = 0,06 min⁻¹ die Temperatur T nach 30 min.
T0 = 4 °CTa = 28 °Ck = 0,06 min⁻¹t = 30 min
T = °C
2.DifferentialgleichungenSchwer
Löse y″ + 3y′ + 18,25y = 0 mit y(0) = 10 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(0,75); Winkel im Bogenmaß.
y″ + 3y′ + 18,25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫02 e0,5x dx.
f(x) = e0,5x[0, 2]
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = x eingeschlossen wird.
y = 2x2y = x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·sin(2x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(2).
f(x) = x·sin(2x)x = 2 rad
f′(2) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 0,5x2 + 3x − 5 bei x = 2 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 0,5x2 + 3x − 5x = 2
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫02 sin x dx mit der Simpson-Regel, n = 2, an und vergleiche mit dem exakten Wert. Bestimme den absoluten Fehler |E| = |S − I|.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Verwende das Heun-Verfahren (verbessertes Euler-Verfahren) mit h = 0,2 für y′ = cos t − y, y(0) = 0,5, um y3 ≈ y(0,6) zu schätzen.
y′ = cos t − yy(0) = 0,5h = 0,2
y3 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: T = 24,03 °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) = 28 + (−24)·e−0,06t
t einsetzen
T(30) = 28 + (−24)·0,1653 = 24,03 °C
Antwort
T = 24,03 °C
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.75) = −3,042
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 = −1,5 ± 4j
Konstanten
A = 10, B = 1,5·10/4 = 3,75
Auswerten
y(0,75) = e−1,125(10·cos 3 + 3,75·sin 3) = −3,042
Antwort
y(0,75) = −3,042
3.Integrale
Antwort: I = 3,437
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.
Stammfunktion
F(x) = e0,5x/0,5
An den Grenzen auswerten
I = (e1 − 1)/0,5 = (2,718 − 1)/0,5 = 3,437
Antwort
I = 3,437
4.Integrale
Antwort: A = 0,04167
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 = x → x = 0, x = 0,5
Obere minus untere integrieren
A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167
Antwort
A = 0,04167
5.Ableitungen
Antwort: f′(2) = −3,371
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′(2) = −0,7568 + 4·(−0,6536) = −3,371
Antwort
f′(2) = −3,371
6.Ableitungen
Antwort: b = −7
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) = 3
f′(x) = x + 3 → f′(2) = 5
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 3 − 5·2 = −7
Antwort
b = −7
7.Numerische Verfahren
Antwort: |E| = 0,008914
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.
Exakter Wert
I = 1,416147
Simpson-Regel
S = (1/3)·(0 + 4·0,841471 + 0,909297) = 1,42506
Fehler
|E| = |1,42506 − 1,416147| = 0,008914
Antwort
|E| = 0,008914
Relativer Fehler: 0,6294 %.
8.Numerische Verfahren
Antwort: y3 = 0,6914
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.