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 420 °C kühlt in einer Werkstatt mit 22 °C ab. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme mit k = 0,04 min⁻¹ die Temperatur T nach 53 min.
T0 = 420 °CTa = 22 °Ck = 0,04 min⁻¹t = 53 min
T = °C
2.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + 3y′ + 27,25y = 27,25 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme den Spitzenwert ymax seiner Sprungantwort.
y″ + 3y′ + 27,25y = 27,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegraleMittel
Das Gebiet unter y = 2x von x = 0 bis x = 3 wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers (ein Kegel).
y = 2x0 ≤ x ≤ 3
V =
4.IntegraleSchwer
Das Gebiet zwischen der Geraden y = 3x und der Parabel y = 2x² wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers.
y = 3xy = 2x²
V =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = ln(2x2 + 1). Bestimme f′(−2).
f(x) = ln(2x2 + 1)x = −2
f′(−2) =
6.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 3x2 − 4x + 2 bei x = −2 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 3x2 − 4x + 2x = −2
b =
7.Numerische VerfahrenMittel
Nähere ∫01 1/(1 + x³) dx mit der Trapezregel mit n = 4 Streifen an. Gib T an.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 4
T =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Verwende das Heun-Verfahren (verbessertes Euler-Verfahren) mit h = 0,1 für y′ = t + y, y(0) = 1, um y3 ≈ y(0,3) zu schätzen.
y′ = t + yy(0) = 1h = 0,1
y3 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: T = 69,77 °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) = 22 + 398·e−0,04t
t einsetzen
T(53) = 22 + 398·0,12 = 69,77 °C
Antwort
T = 69,77 °C
2.Differentialgleichungen
Antwort: ymax = 1,39
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 = 1, r = −1,5 ± 5j
Konstanten aus den Anfangswerten
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −0,3
Spitzenwert
t = π/5 = 0,6283
ymax = 1·(1 + e−1,5·π/5) = 1,39
Antwort
ymax = 1,39
3.Integrale
Antwort: V = 113,1
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.
Scheibenmethode
V = π∫₀3 4x² dx
Integrieren
V = π·4·3³/3 = 113,1
Antwort
V = 113,1
Kontrolle: Ein Kegel mit dem Radius 6 und der Höhe 3 hat (1/3)πr²h = 113,1.
4.Integrale
Antwort: V = 12,72
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
3x = 2x² → x = 0, x = 1,5
Ringmethode
V = π∫₀1,5 ((3x)² − (2x²)²) dx
Integrieren
V = π(9·1,5³/3 − 4·1,5⁵/5) = π·4,05 = 12,72
Antwort
V = 12,72
5.Ableitungen
Antwort: f′(−2) = −0,8889
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 + 1)
Einsetzen
f′(−2) = −8/9 = −0,8889
Antwort
f′(−2) = −0,8889
6.Ableitungen
Antwort: b = −10
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) = 22
f′(x) = 6x − 4 → f′(−2) = −16
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 22 − (−16)·(−2) = −10
Antwort
b = −10
7.Numerische Verfahren
Antwort: T = 0,8317
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: y3 = 1,398
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.