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 Tasse Kaffee mit 95 °C steht in einem Raum mit 22 °C. Nach 23 min beträgt die Temperatur 59 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.
T0 = 95 °CTa = 22 °CT(23) = 59 °C
k = min⁻¹
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + 4y′ + 20y = 40 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme den Spitzenwert ymax seiner Sprungantwort.
y″ + 4y′ + 20y = 40y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫03 e0,5x dx.
f(x) = e0,5x[0, 3]
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = x2 und y = 3x eingeschlossen wird.
y = x2y = 3x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·sin(3x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(0,5).
f(x) = x·sin(3x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x − 3. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Maximums.
f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x − 3
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫01,5 √(1 + x³) dx mit der Simpson-Regel mit n = 4 Streifen an. Gib S an.
f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
S =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Führe einen Schritt des klassischen Runge-Kutta-Verfahrens (RK4) mit h = 0,1 für y′ = t² + y², y(0) = 0,5, aus. Bestimme y₁ ≈ y(0,1).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: k = 0,02955 min⁻¹
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.
Verhältnis der Temperaturdifferenzen
e−23k = 37/73
Nach k auflösen
k = ln(73/37)/23 = 0,02955 min⁻¹
Antwort
k = 0,02955 min⁻¹
2.Differentialgleichungen
Antwort: ymax = 2,416
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.
Stationärer Wert und Wurzeln
yss = 2, r = −2 ± 4j
Konstanten aus den Anfangswerten
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −2A + 4B = 0 → B = −1
Spitzenwert
t = π/4 = 0,7854
ymax = 2·(1 + e−2·π/4) = 2,416
Antwort
ymax = 2,416
3.Integrale
Antwort: I = 6,963
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 = (e1,5 − 1)/0,5 = (4,482 − 1)/0,5 = 6,963
Antwort
I = 6,963
4.Integrale
Antwort: A = 4,5
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 = 3x → x = 0, x = 3
Obere minus untere integrieren
A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5
Antwort
A = 4,5
5.Ableitungen
Antwort: f′(0.5) = 1,104
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′(0,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104
Antwort
f′(0,5) = 1,104
6.Ableitungen
Antwort: x = −3
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 + 15x + 18 = 3·(x2 + 5x + 6)
f′(x) = 0 lösen
x = −3 oder x = −2
Welches ist welches
f″(x) = 6x + 15: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(−3) = −3, f″(−2) = 3
x = −3
Antwort
x = −3
7.Numerische Verfahren
Antwort: S = 1,976
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: y1 = 0,5267
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.