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″ + 6y′ + 5y = 0 mit y(0) = 4 und y′(0) = -4. Bestimme y(2).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 4y′(0) = -4
y(2) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Löse y″ + 4y′ + 29y = 0 mit y(0) = 2 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(0,5); Winkel im Bogenmaß.
y″ + 4y′ + 29y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegraleSchwer
Das Gebiet zwischen der Geraden y = 2x und der Parabel y = 2x² wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers.
y = 2xy = 2x²
V =
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) = 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
Löse y′ = t + y, y(0) = 3 mit dem Euler-Verfahren und der Schrittweite h = 0,2 bis t = 1. Die exakte Lösung ist y = −t − 1 + (y₀ + 1)eᵗ. Bestimme den globalen Fehler |E| = |y(1) − y5|.
y′ = t + yy(0) = 3h = 0,2
|E| =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(2) = 0,5413
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 + 5) = 0 → r = −1, −5
Konstanten aus den Anfangswerten
A + B = 4, −1A − 5B = -4
A = 4, B = 0
Auswerten
y(2) = 4·e−2 + 0·e−10 = 0,5413
Antwort
y(2) = 0,5413
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.5) = −0,4133
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 = −2 ± 5j
Konstanten
A = 2, B = 2·2/5 = 0,8
Auswerten
y(0,5) = e−1(2·cos 2,5 + 0,8·sin 2,5) = −0,4133
Antwort
y(0,5) = −0,4133
3.Integrale
Antwort: I = 1,551
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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Stammfunktion
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Grenzwerte
(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551
Antwort
I = 1,551
4.Integrale
Antwort: V = 1,676
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
2x = 2x² → x = 0, x = 1
Ringmethode
V = π∫₀1 ((2x)² − (2x²)²) dx
Integrieren
V = π(4·1³/3 − 4·1⁵/5) = π·0,5333 = 1,676
Antwort
V = 1,676
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 = −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: |E| = 0,9198
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
y5 = 7,95328
Exakter Wert
y(1) = 8,873127
Globaler Fehler
|E| = |8,873127 − 7,95328| = 0,9198
Diagramm
Antwort
|E| = 0,9198
Eine Halbierung von h halbiert den Fehler des Euler-Verfahrens ungefähr.