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1Formeln und Methoden
Differentialgleichungen
Exponentielles Wachstum/exponentieller Zerfall
dy/dt = ky → y = y0ekt
Halbwertszeit
k = ln 2 / t½
Newtonsches Abkühlungsgesetz
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Integrierender Faktor
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Mischbehälter
dm/dt = r·c − (r/V)·m
Matrizen & Determinanten
2×2-Determinante
det = ad − bc
Inverse einer 2×2-Matrix
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Produkt
(AB)ij = Σk AikBkj
Eigenwerte
det(A − λI) = 0
Cramersche Regel
xi = det(Ai)/det(A)
Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Betrag
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Einheitsvektor
û = a/|a|
Komponenten aus einem Winkel
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Skalarprodukt
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Skalare Projektion von a auf b
a·b/|b|
Arbeit
W = F·d
Kreuzprodukt
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Flächen
Parallelogramm |a × b|, Dreieck ½|a × b|
Moment um O
MO = r × F, r = A − O
Volumen eines Spats (Parallelepipeds)
V = |a·(b × c)|
Methode
Schreibe jeden Vektor in Komponenten; bei einer Kraft, die mit Betrag und Winkel gegeben ist, verwende F·cos θ und F·sin θ.
Für Längen und Richtungen verwende den Betrag √(x² + y² + z²) und den Einheitsvektor a/|a|.
Verwende das Skalarprodukt für Winkel, Projektionen, Orthogonalität und Arbeit: a·b = |a||b|cos θ.
Verwende das Kreuzprodukt für senkrechte Vektoren, Flächen und Momente: Schreibe die drei Komponenten sorgfältig auf und behalte die Reihenfolge a × b bei.
Integrale
Potenzregel
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Bestimmtes Integral
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Wichtige Integrale
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Fläche zwischen Kurven
∫ab (f − g) dx
Methode
Schreibe den Integranden, wenn möglich, als Summe einfacher Terme.
Wende die Potenzregel an: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), und die Grundintegrale für ex, 1/x, sin und cos.
Verwende Substitution, wenn du eine Funktion zusammen mit ihrer Ableitung siehst.
Für ein bestimmtes Integral berechnest du F(b) − F(a).
Analysis mehrerer Variablen
Partielle Ableitungen
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradient
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Richtungsableitung
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Tangentialebene
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Kettenregel
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Test mit der zweiten Ableitung
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Doppelintegral
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Polarkoordinaten
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ
Methode
Behandle bei einer partiellen Ableitung die andere Variable als Konstante und verwende die Regeln für eine Variable.
Berechne bei Gradientenaufgaben ∇f = (fx, fy) im Punkt; verwende |∇f| für die steilste Steigung und ∇f·u mit einem Einheitsvektor u für eine Richtungsableitung.
Löse für Extrema fx = 0 und fy = 0 gemeinsam und klassifiziere dann jeden Punkt mit D = fxx·fyy − fxy².
Skizziere bei einem Doppelintegral den Bereich, wähle die Reihenfolge (oder Polarkoordinaten für Kreisscheiben) so, dass die inneren Grenzen die begrenzenden Kurven sind, und integriere von innen nach außen.
Folgen & Reihen
Arithmetische Folge
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Geometrische Folge
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Unendliche geometrische Reihe
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-Reihe
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Quotientenkriterium
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Konvergenzradius
R = lim |ck/ck+1|
Taylor-Polynom
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Maclaurin-Reihe
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Lagrangesche Fehlerschranke
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!
Methode
Erkenne den Typ: arithmetisch (konstante Differenz), geometrisch (konstanter Quotient), eine Standardreihe, eine Potenzreihe oder ein Taylor-Polynom.
Verwende für Summen Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) oder S = a₁/(1 − r) für |r| < 1, wobei a₁ das erste Glied der Summe ist.
Zur Konvergenz: erst das Trivialkriterium, dann der Vergleich mit Σ1/kᵖ oder einer geometrischen Reihe, und bei Fakultäten und k-ten Potenzen das Quotienten- oder Wurzelkriterium.
Liste für Taylor-Polynome f(a), f′(a), f″(a), … auf, teile die k-te Ableitung durch k! und schätze den Fehler mit M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)! ab.
Skizziere beide Signale und markiere, wo jedes ungleich null ist.
Spiegle h und schiebe es: Bestimme für jeden Ausgangszeitpunkt den Bereich, in dem sich beide Signale überlappen.
Multipliziere und addiere (diskret) oder multipliziere und integriere (kontinuierlich) nur über diese Überlappung.
Prüfe das Ergebnis: Die Ausgangsgröße beginnt bei der Summe der Anfangszeiten, endet bei der Summe der Endzeiten, und ihre Fläche oder Summe ist das Produkt der Flächen oder Summen der Eingangsgrößen.
2Übungsaufgaben
1.DifferentialgleichungenMittel
Löse y″ + 6y′ + 5y = 0 mit y(0) = 1 und y′(0) = 0. Bestimme y(1).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Löse das Anfangswertproblem y′ + 3y/x = 3x2 für x > 0 mit y(1) = 2. Bestimme y(3).
y′ + 3y/x = 3x2y(1) = 2
y(3) =
3.Matrizen & DeterminantenMittel
Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c11 (Zeile 1, Spalte 1).
A = [6 4; −3 −1]B = [6 3; −2 −6]
c11 =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
Löse das Gleichungssystem 4x − 5y = 4 und 5x + y = −12. Bestimme x.
4x − 5y = 45x + y = −12
x =
5.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
Bestimme das Skalarprodukt a·b von a = (3, 6, 6) und b = (6, −1, 7).
a = (3, 6, 6)b = (6, −1, 7)
a·b =
6.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
Eine Kraft F = (−10, 0, −60) N wirkt im Punkt A(−3, 0, 0). Die Koordinaten sind in Metern angegeben. Bestimme den Betrag |M| des Moments der Kraft bezüglich Punkt O(−2, 1, −2).
F = (−10, 0, −60) NA(−3, 0, 0) mO(−2, 1, −2) m
|M| = N·m
7.IntegraleMittel
Berechne I = ∫28 1/x dx.
f(x) = 1/x[2, 8]
I =
8.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = 4x eingeschlossen wird.
y = 2x2y = 4x
A =
9.Analysis mehrerer VariablenMittel
z = x³y − 2x² − 4y² + 3xy mit x = −3t und y = t². Bestimme mit der Kettenregel dz/dt bei t = −1.
z = x³y − 2x² − 4y² + 3xyx = −3ty = t²t = −1
dz/dt =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
Bestimme die kritischen Punkte von f(x, y) = −x² + xy − y² − 3x + 3y − 2, klassifiziere sie und gib den Wert fmax von f an ihrem lokalen Maximum an.
f(x, y) = −x² + xy − y² − 3x + 3y − 2
fmax =
11.Folgen & ReihenMittel
Genau eine der vier Reihen divergiert. Klicke sie an.
Verwende das Maclaurin-Polynom vom Grad 4 von f(x) = 1/(1 − x), um f(0,5) anzunähern. Gib P₄(0,5) an.
f(x) = 1/(1 − x)n = 4x = 0,5
P₄(0.5) =
13.Laplace-TransformationenMittel
F(s) = (2s + 23)/(s² + 11s + 30). Ihre Rücktransformierte hat die Form f(t) = A·e−5t + B·e−6t. Bestimme den Koeffizienten A mit der Partialbruchzerlegung.
F(s) = (2s + 23)/(s² + 11s + 30)
A =
14.Laplace-TransformationenSchwer
Löse y″ + 3y′ + 2y = 0 mit y(0) = 5 und y′(0) = 1 mit der Laplace-Transformation und bestimme y(0,6).
y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 5y′(0) = 1t = 0,6 s
y(0.6) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
Der Impuls x(t) = 3 für 0 ≤ t < 2 s (sonst null) wird auf ein System mit der Impulsantwort h(t) = 3 für 0 ≤ t < 3 s (sonst null) gegeben. Bestimme die Ausgangsgröße y(2) bei t = 2 s.
x(t) = 3, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 3 st = 2 s
y(2) =
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
Eine Dreieckschwingung steigt und fällt linear zwischen −1 und +1 mit der Periodendauer T = 1 ms. Bestimme die Amplitude c3 ihrer Fourier-Komponente bei 3000 Hz.
±1T = 1 msf = 3000 Hz
c3 =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(1) = 0,4582
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 = 1, −1A − 5B = 0
A = 1,25, B = −0,25
Auswerten
y(1) = 1,25·e−1 + (−0,25)·e−5 = 0,4582
Antwort
y(1) = 0,4582
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(3) = 13,56
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∫3/x dx = x3
Integrieren
(x3y)′ = 3x5 → x3y = 3x6/6 + C
Anfangsbedingung
2 = 3/6 + C → C = 1,5
Auswerten
y(3) = (3·36/6 + 1,5)/33 = 13,56
Antwort
y(3) = 13,56
3.Matrizen & Determinanten
Antwort: c11 = 28
Matrizen: Die Determinante einer 2×2-Matrix ist ad − bc. Bei 3×3 entwickelst du nach einer Zeile: jeder Eintrag mal die Determinante der 2×2-Matrix, die nach Streichen seiner Zeile und Spalte übrig bleibt, mit abwechselnden Vorzeichen + − +. Eigenwerte λ lösen det(A − λI) = 0; für 2×2 ist das λ² − (Spur)·λ + det = 0.
Zeile mal Spalte
c11 = 6·6 + 4·(−2) = 28
Antwort
c11 = 28
4.Matrizen & Determinanten
Antwort: x = −1,931
Matrizen: Die Determinante einer 2×2-Matrix ist ad − bc. Bei 3×3 entwickelst du nach einer Zeile: jeder Eintrag mal die Determinante der 2×2-Matrix, die nach Streichen seiner Zeile und Spalte übrig bleibt, mit abwechselnden Vorzeichen + − +. Eigenwerte λ lösen det(A − λI) = 0; für 2×2 ist das λ² − (Spur)·λ + det = 0.
Determinante der Koeffizientenmatrix
det A = 4·1 − (−5)·5 = 29
Die x-Spalte ersetzen
det Aₓ = 4·1 − (−5)·(−12) = −56
x = −56/29 = −1,931
Antwort
x = −1,931
y = −2,345
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: a·b = 54
Dot product:a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.
Entsprechende Komponenten multiplizieren und addieren
a·b = 3·6 + 6·(−1) + 6·7 = 18 + (−6) + 42 = 54
Antwort
a·b = 54
Positiv: Der Winkel zwischen den Vektoren ist kleiner als 90°.
6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: |M| = 100,5 N·m
Cross product:a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.
Ortsvektor von O nach A
r = A − O = (−3, 0, 0) − (−2, 1, −2) = (−1, −1, 2) m
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.
Stammfunktion
F(x) = ln x
An den Grenzen auswerten
I = (ln 8 − ln 2) = ln 4 = 1,386
Antwort
I = 1,386
8.Integrale
Antwort: A = 2,667
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
2x2 = 4x → x = 0, x = 2
Obere minus untere integrieren
A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667
Antwort
A = 2,667
9.Analysis mehrerer Variablen
Antwort: dz/dt = −110
Gradient: ∇f = (fx, fy) zeigt in Richtung des steilsten Anstiegs, und |∇f| ist die größte Änderungsrate. Die Richtungsableitung in Richtung v ist Duf = ∇f·u mit dem Einheitsvektor u = v/|v|. Die Tangentialebene in (a, b) ist z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); sie liefert die lineare Näherung von f in der Nähe dieses Punktes. Kettenregel: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.
Punkt und Änderungsraten
x(−1) = 3, y(−1) = 1
dx/dt = −3, dy/dt = 2t = −2
Partielle Ableitungen
fx = 3x²y − 4x + 3y = 18
fy = x³ − 8y + 3x = 28
Kettenregel
dz/dt = 18·(−3) + 28·(−2) = −110
Antwort
dz/dt = −110
10.Analysis mehrerer Variablen
Antwort: fmax = 1
Kritische Punkte und Doppelintegrale: Ein kritischer Punkt hat fx = fy = 0. Test mit der zweiten Ableitung mit D = fxxfyy − fxy²: D > 0 und fxx > 0 ist ein lokales Minimum, D > 0 und fxx < 0 ein lokales Maximum, D < 0 ein Sattelpunkt, und D = 0 entscheidet nichts. Für ein Doppelintegral über einen allgemeinen Bereich sind die inneren Grenzen die Kurven, die den Bereich begrenzen; für Kreisscheiben und Sektoren verwende Polarkoordinaten, x = r cos θ, y = r sin θ und dA = r dr dθ (vergiss den Faktor r nicht).
Kritische Punkte
Löse fx = 0 und fy = 0 gemeinsam.
fx = −2x + y − 3 = 0
fy = x − 2y + 3 = 0
(−1, 1)
Test mit der zweiten Ableitung
(−1, 1): fxx = −2, fyy = −2, fxy = 1, D = 3 → lokales Maximum
Wert am Extremum
f(−1, 1) = 1
Antwort
fmax = 1
11.Folgen & Reihen
Antwort: A: Σ (3k + 1)/(k + 2)
Konvergenz: Streben die Glieder nicht gegen 0, divergiert die Reihe (Trivialkriterium). Σ1/kᵖ konvergiert nur für p > 1 und Σrᵏ nur für |r| < 1. Vergleiche eine Reihe mit einer dieser Reihen, wenn sich ihre Glieder für große k wie diese verhalten. Quotientenkriterium: L = lim |ak+1/ak|; Wurzelkriterium: L = lim |ak|1/k. L < 1 konvergiert, L > 1 divergiert, L = 1 entscheidet nichts. Eine Potenzreihe Σck(x − x₀)ᵏ konvergiert für |x − x₀| < R mit R = lim |ck/ck+1|; eine alternierende Reihe mit gegen 0 fallenden Gliedern konvergiert.
Jede Reihe testen
A: Σ (3k + 1)/(k + 2) → Die Glieder streben gegen 3, nicht gegen 0: divergiert nach dem Trivialkriterium.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Alternierend, mit gegen 0 fallendem 1/k: konvergiert (bedingt).
C: Σ (4/5)ᵏ → Geometrisch mit r = 4/5, |r| < 1: konvergiert.
D: Σ 3/k³ → p-Reihe mit p = 3 > 1: konvergiert.
Die Antwort
A: Σ (3k + 1)/(k + 2)
Antwort
A: Σ (3k + 1)/(k + 2)
12.Folgen & Reihen
Antwort: P₄(0.5) = 1,938
Taylor-Polynome: Nahe x = a wird eine glatte Funktion durch Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n! angenähert; für a = 0 ist das das Maclaurin-Polynom. Standardreihen: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Lagrangesche Fehlerschranke: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, wobei M der größte Wert von |f⁽ⁿ⁺¹⁾| zwischen a und x ist.
Maclaurin-Polynom
P₄(x) = 1 + x + x² + x³ + x⁴
Einsetzen
P₄(0,5) = 1 + 0,5 + 0,25 + 0,125 + 0,0625 = 1,938
Antwort
P₄(0,5) = 1,938
Der exakte Wert ist f(0,5) = 2; der Fehler 0,0625 wird kleiner, wenn du mehr Terme nimmst oder einen Punkt näher bei 0.
13.Laplace-Transformationen
Antwort: A = 13
Laplace-Transformation: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt macht aus Ableitungen Multiplikationen mit s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standardpaare: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), und eine Verschiebung s → s + σ multipliziert die Zeitfunktion mit e−σt. Um eine rationale Funktion F(s) zurückzutransformieren, zerlege sie in Partialbrüche: Das Residuum eines einfachen Pols p ist A = [(s − p)·F(s)] bei s = p. Endwertsatz: f(∞) = lims→0 s·F(s), gültig nur, wenn alle Pole von s·F(s) in der linken Halbebene liegen. Anfangswertsatz: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Nenner in Faktoren zerlegen
s² + 11s + 30 = (s + 5)(s + 6)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 6)
Zuhaltemethode
Multipliziere mit (s + 5) und setze s = −5: Der B-Term verschwindet.
A = (2s + 23)/(s + 6) |s = −5 = 13/1 = 13
Antwort
A = 13
(B = −11, also f(t) = 13·e−5t − 11·e−6t)
14.Laplace-Transformationen
Antwort: y(0.6) = 4,23
Laplace-Transformation: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt macht aus Ableitungen Multiplikationen mit s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standardpaare: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), und eine Verschiebung s → s + σ multipliziert die Zeitfunktion mit e−σt. Um eine rationale Funktion F(s) zurückzutransformieren, zerlege sie in Partialbrüche: Das Residuum eines einfachen Pols p ist A = [(s − p)·F(s)] bei s = p. Endwertsatz: f(∞) = lims→0 s·F(s), gültig nur, wenn alle Pole von s·F(s) in der linken Halbebene liegen. Anfangswertsatz: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Gleichung transformieren
s²Y − 5s − 1 + 3(sY − 5) + 2Y = 0
Y(s) = (5s + 16)/((s + 1)(s + 2))
Partialbruchzerlegung
A = 11/1 = 11
B = 6/(−1) = −6
Ergebnis
y(t) = 11·e−t − 6·e−2t
y(0,6) = 4,23
Antwort
y(0,6) = 4,23
Kontrolle: y(0) = A + B = 5.
15.Faltung und LTI-Systeme
Antwort: y(2) = 18
Kontinuierliche Faltung: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Spiegle h, verschiebe es an die Position t und integriere das Produkt der überlappenden Teile. Bei kausalen Signalen läuft das Integral von 0 bis t. Nützliche Ergebnisse: Die Fläche von y ist die Fläche von x mal die Fläche von h; dauert x von t₁ bis t₂ und h von t₃ bis t₄, dann dauert y von t₁ + t₃ bis t₂ + t₄. Für h(t) = e−atu(t) und einen Sprung der Höhe A ist y(t) = (A/a)(1 − e−at).
Überlappung des gespiegelten Impulses
h(t − τ) ist der Impuls von h, gespiegelt und so verschoben, dass er bei τ = t endet.
τ ∈ [0, 2] → Länge 2 s
Integral
y(2) = 3·3·2 = 18
Antwort
y(2) = 18
y(t) ist ein Trapez: Es steigt von 0, bleibt bei 18 und fällt bei t = 5 s wieder auf 0.
16.Faltung und LTI-Systeme
Antwort: c3 = 0,09006
Impulsantwort und Fourier-Reihe: Die Impulsantwort h(t) beschreibt ein LTI-System vollständig: Für y′ + a·y = b·x ist sie h(t) = b·e−atu(t), und für y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] ist sie h[n] = b·aⁿu[n]. Eine Sinusschwingung cos ωt durchläuft das System mit dem Verstärkungsfaktor |H(jω)| und der Phase ∠H(jω), wobei H die Fourier-Transformierte von h ist. Ein periodisches Signal ist eine Summe von Oberschwingungen bei k/T: Eine Rechteckschwingung mit ±A hat nur ungerade Oberschwingungen mit den Amplituden 4A/(kπ), eine Dreieckschwingung mit dem Scheitelwert A hat 8A/(π²k²), und eine Impulsfolge der Höhe A und des Tastgrads D hat den Mittelwert A·D und die Oberschwingungen (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.