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′ + 8y = 0 mit y(0) = 5 und y′(0) = 2. Bestimme y(1).
y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(1) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Löse y″ + 3y′ + 11,25y = 0 mit y(0) = 5 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(1,5); Winkel im Bogenmaß.
y″ + 3y′ + 11,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₀π x·cos x dx (x im Bogenmaß).
∫₀π x·cos x dx
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 0,5x2 und y = 4x eingeschlossen wird.
y = 0,5x2y = 4x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = ln(2x2 + 2). Bestimme f′(−2).
f(x) = ln(2x2 + 2)x = −2
f′(−2) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 0,5x2 − 2x + 5 bei x = 1 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 0,5x2 − 2x + 5x = 1
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫02 √(1 + x³) dx mit der Simpson-Regel mit n = 2 Streifen an. Gib S an.
f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 2
S =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Verwende das Heun-Verfahren (verbessertes Euler-Verfahren) mit h = 0,2 für y′ = y(2 − y), y(0) = 0,5, um y2 ≈ y(0,4) zu schätzen.
y′ = y(2 − y)y(0) = 0,5h = 0,2
y2 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(1) = 1,379
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 + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4
Konstanten aus den Anfangswerten
A + B = 5, −2A − 4B = 2
A = 11, B = −6
Auswerten
y(1) = 11·e−2 + (−6)·e−4 = 1,379
Antwort
y(1) = 1,379
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = −0,3687
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.
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 = cos x dx, v = sin x
Stammfunktion
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Grenzwerte
(π·sin π + cos π) − (0 + 1) = −2
Antwort
I = −2
4.Integrale
Antwort: A = 42,67
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
0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8
Obere minus untere integrieren
A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67
Antwort
A = 42,67
5.Ableitungen
Antwort: f′(−2) = −0,8
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 + 2)
Einsetzen
f′(−2) = −8/10 = −0,8
Antwort
f′(−2) = −0,8
6.Ableitungen
Antwort: b = 4,5
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(1) = 3,5
f′(x) = x − 2 → f′(1) = −1
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 3,5 − (−1)·1 = 4,5
Antwort
b = 4,5
7.Numerische Verfahren
Antwort: S = 3,219
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.
Knoten und Werte
h = 1
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·1,414214 + 3 = 9,656854
Simpson-Regel
S = (1/3)·9,656854 = 3,219
Antwort
S = 3,219
Dieses Integral hat keine elementare Stammfunktion, und genau dann braucht man eine numerische Regel.
8.Numerische Verfahren
Antwort: y2 = 0,8488
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.