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″ + 8y′ + 16y = 0 mit y(0) = 1 und y′(0) = -2. Bestimme y(1).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 1y′(0) = -2
y(1) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Löse das Anfangswertproblem y′ + y/x = 3x für x > 0 mit y(1) = 5. Bestimme y(3).
y′ + y/x = 3xy(1) = 5
y(3) =
3.IntegraleMittel
Berechne I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
4.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 0,5x2 und y = x eingeschlossen wird.
y = 0,5x2y = x
A =
5.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x2·e2x. Bestimme f′(2).
f(x) = x2·e2xx = 2
f′(2) =
6.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 + 3x2 − 9x − 6. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Minimums.
f(x) = x3 + 3x2 − 9x − 6
x =
7.Numerische VerfahrenMittel
Die Trapezregel wird für ∫13 1/x dx verwendet. Der Fehler beträgt höchstens (b − a)³·M/(12n²) mit M = max|f″| auf [1, 3]. Bestimme die kleinste Anzahl n von Streifen, die einen Fehler unter 0,001 garantiert.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]ε = 0,001
n =
8.Numerische VerfahrenSchwer
Führe einen Schritt des klassischen Runge-Kutta-Verfahrens (RK4) mit h = 0,2 für y′ = e−ty, y(0) = 0,5, aus. Bestimme y₁ ≈ y(0,2).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,2
y1 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(1) = 0,05495
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.
Doppelte Wurzel
(r + 4)² = 0 → r = −4
Konstanten
A = y(0) = 1
y′(0) = B − 4A → B = -2 + 4 = 2
Auswerten
y(1) = (1 + 2·1)·e−4 = 0,05495
Antwort
y(1) = 0,05495
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(3) = 10,33
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.
Integrierender Faktor
μ = e∫1/x dx = x1
Integrieren
(x1y)′ = 3x2 → x1y = 3x3/3 + C
Anfangsbedingung
5 = 3/3 + C → C = 4
Auswerten
y(3) = (3·33/3 + 4)/31 = 10,33
Antwort
y(3) = 10,33
3.Integrale
Antwort: I = 156
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.
Substitution
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u3 du
Integrieren und auswerten
I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156
Antwort
I = 156
4.Integrale
Antwort: A = 0,6667
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 = x → x = 0, x = 2
Obere minus untere integrieren
A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667
Antwort
A = 0,6667
5.Ableitungen
Antwort: f′(2) = 655,2
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.
Produktregel
f′(x) = u′v + uv′ = e2x·(2x + 2·x2)
Einsetzen
f′(2) = 54,6·(4 + 8) = 655,2
Antwort
f′(2) = 655,2
6.Ableitungen
Antwort: x = 1
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 + 6x − 9 = 3·(x2 + 2x − 3)
f′(x) = 0 lösen
x = −3 oder x = 1
Welches ist welches
f″(x) = 6x + 6: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(−3) = −12, f″(1) = 12
x = 1
Antwort
x = 1
7.Numerische Verfahren
Antwort: n = 37
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.
Schranke für die zweite Ableitung
M = 2/1³ = 2
Nach n auflösen
n² > 8·2/(12·0,001) = 1333
n > 36,51 → n = 37
Antwort
n = 37
8.Numerische Verfahren
Antwort: y1 = 0,688
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.