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
Ein geschmiedetes Stahlteil mit 320 °C kühlt in einer Werkstatt mit 29 °C ab. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme mit k = 0,05 min⁻¹ die Temperatur T nach 34 min.
T0 = 320 °CTa = 29 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 34 min
T = °C
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein Behälter enthält 200 L reines Wasser. Salzlösung mit 0,1 kg Salz pro Liter fließt mit 20 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Nach wie vielen Minuten t enthält der Behälter 14 kg Salz?
V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,1 kg/Lr = 20 L/min
t = min
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 0,5x2 und y = 3x eingeschlossen wird.
y = 0,5x2y = 3x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = ln(x2 + 2). Bestimme f′(1).
f(x) = ln(x2 + 2)x = 1
f′(1) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 3x2 − 5x − 3 bei x = 2 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 3x2 − 5x − 3x = 2
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫01 √x·e−x dx mit der Simpson-Regel mit n = 4 Streifen an. Gib S an.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 1]n = 4
S =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Verwende das Euler-Verfahren mit h = 0,5 für y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 1, um y4 ≈ y(2) zu schätzen.
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 1h = 0,5
y4 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: T = 82,16 °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) = 29 + 291·e−0,05t
t einsetzen
T(34) = 29 + 291·0,1827 = 82,16 °C
Antwort
T = 82,16 °C
2.Differentialgleichungen
Antwort: t = 12,04 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) = 20 + (−20)·e−t/10
Nach t auflösen
e−t/10 = (20 − 14)/(20 − 0) = 0,3
t = 10·ln(3,333) = 12,04 min
Antwort
t = 12,04 min
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: A = 18
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 = 3x → x = 0, x = 6
Obere minus untere integrieren
A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18
Antwort
A = 18
5.Ableitungen
Antwort: f′(1) = 0,6667
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) = 2x/(x2 + 2)
Einsetzen
f′(1) = 2/3 = 0,6667
Antwort
f′(1) = 0,6667
6.Ableitungen
Antwort: b = −15
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) = −1
f′(x) = 6x − 5 → f′(2) = 7
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −1 − 7·2 = −15
Antwort
b = −15
7.Numerische Verfahren
Antwort: S = 0,3683
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: y4 = 3,202
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.