Ingenieurmathematik 2: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 16 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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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

  1. Schreibe jeden Vektor in Komponenten; bei einer Kraft, die mit Betrag und Winkel gegeben ist, verwende F·cos θ und F·sin θ.
  2. Für Längen und Richtungen verwende den Betrag √(x² + y² + z²) und den Einheitsvektor a/|a|.
  3. Verwende das Skalarprodukt für Winkel, Projektionen, Orthogonalität und Arbeit: a·b = |a||b|cos θ.
  4. 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

  1. Schreibe den Integranden, wenn möglich, als Summe einfacher Terme.
  2. Wende die Potenzregel an: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), und die Grundintegrale für ex, 1/x, sin und cos.
  3. Verwende Substitution, wenn du eine Funktion zusammen mit ihrer Ableitung siehst.
  4. 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

  1. Behandle bei einer partiellen Ableitung die andere Variable als Konstante und verwende die Regeln für eine Variable.
  2. Berechne bei Gradientenaufgaben ∇f = (fx, fy) im Punkt; verwende |∇f| für die steilste Steigung und ∇f·u mit einem Einheitsvektor u für eine Richtungsableitung.
  3. Löse für Extrema fx = 0 und fy = 0 gemeinsam und klassifiziere dann jeden Punkt mit D = fxx·fyy − fxy².
  4. 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

  1. Erkenne den Typ: arithmetisch (konstante Differenz), geometrisch (konstanter Quotient), eine Standardreihe, eine Potenzreihe oder ein Taylor-Polynom.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.

Faltung und LTI-Systeme

Diskrete Faltung
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Kontinuierliche Faltung
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Länge und Summe
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Beginn, Ende und Fläche
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Sprung auf e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
System erster Ordnung
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Rekursion erster Ordnung
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusschwingung durch h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplituden der Fourier-Reihe
Rechteck ±A: 4A/(kπ), ungerades k; Dreieck ±A: 8A/(π²k²), ungerades k; Impulsfolge: A·D und (2A/(kπ))|sin kπD|

Methode

  1. Skizziere beide Signale und markiere, wo jedes ungleich null ist.
  2. Spiegle h und schiebe es: Bestimme für jeden Ausgangszeitpunkt den Bereich, in dem sich beide Signale überlappen.
  3. Multipliziere und addiere (diskret) oder multipliziere und integriere (kontinuierlich) nur über diese Überlappung.
  4. 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
t (min)T (°C)58Ta​86 °C

Ein geschmiedetes Stahlteil mit 360 °C kühlt in einer Werkstatt mit 28 °C ab. Nach 58 min beträgt die Temperatur 86 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.

T0 = 360 °CTa = 28 °CT(58) = 86 °C
k = min⁻¹
2.DifferentialgleichungenSchwer
tyy(0) = 3y(0,75) = ?

Löse y″ + y′ + 16,25y = 0 mit y(0) = 3 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(0,75); Winkel im Bogenmaß.

y″ + y′ + 16,25y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.75) =
3.Matrizen & DeterminantenMittel
A =3−4−3−5B =−6−10−5

Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c22 (Zeile 2, Spalte 2).

A = [3 −4; −3 −5]B = [−6 −1; 0 −5]
c22 =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =2−2−24b =−1112

Löse das Gleichungssystem 2x − 2y = −11 und −2x + 4y = 12. Bestimme x.

2x − 2y = −11−2x + 4y = 12
x =
5.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme das Skalarprodukt a·b von a = (0, −2, 3) und b = (6, 4, 4).

a = (0, −2, 3)b = (6, 4, 4)
a·b =
6.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzrFOA

Eine Kraft F = (−20, 60, −50) N wirkt im Punkt A(4, −4, −4). Die Koordinaten sind in Metern angegeben. Bestimme den Betrag |M| des Moments der Kraft bezüglich den Ursprung O(0, 0, 0).

F = (−20, 60, −50) NA(4, −4, −4) mO(0, 0, 0) m
|M| = N·m
7.IntegraleMittel
xy2y = x·sin x

Berechne I = ∫₀2 x·sin x dx (x im Bogenmaß).

∫₀2 x·sin x dx
I =
8.IntegraleSchwer
xyy = 2x2​y = 4x

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = 4x eingeschlossen wird.

y = 2x2y = 4x
A =
9.Analysis mehrerer VariablenMittel
xy−4−202012vP

Bestimme für f(x, y) = 3y·e−xy die Richtungsableitung Duf in (0,5, 1) in Richtung von v = (−4, 0).

f(x, y) = 3y·e−xyP = (0,5, 1)v = (−4, 0)
Duf =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xy0202AB

Die markierten Punkte sind die kritischen Punkte von f(x, y) = x³ + y³ − 6xy. Klicke das lokale Minimum an.

f(x, y) = x³ + y³ − 6xy
  1. 1A (2, 2)
  2. 2B (0, 0)
11.Folgen & ReihenMittel
kSn​12345678910S = ?

Bestimme die Summe S = Σk=1∞ 12/(k(k + 4)).

ak = 12/(k(k + 4))
S =
12.Folgen & ReihenSchwer

f(x) = sin x wird bei x = 2 durch ihr Maclaurin-Polynom vom Grad n angenähert. Bestimme mit der Lagrangeschen Schranke M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! und M = 1 den kleinsten Grad n, der einen Fehler unter 1 × 10⁻⁶ garantiert.

f(x) = sin xx = 2M = 1ε = 1 × 10⁻⁶
n =
13.Laplace-TransformationenMittel
ReIm−1−2−3−4−5−61

F(s) = (4s + 21)/(s² + 7s + 10). Ihre Rücktransformierte hat die Form f(t) = A·e−2t + B·e−5t. Bestimme den Koeffizienten A mit der Partialbruchzerlegung.

F(s) = (4s + 21)/(s² + 7s + 10)
A =
14.Laplace-TransformationenSchwer
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Ein System gehorcht y″ + 9y′ + 18y = 9·u(t). Es startet in Ruhe (y(0) = 0, y′(0) = 0), und der Eingang ist ein Sprung u(t) = 2 für t ≥ 0. Bestimme mit der Laplace-Transformation den Ausgang y(0,25).

y″ + 9y′ + 18y = 9·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
x(t)t23h(t)t35

Das Signal x(t) ist nur zwischen t = 2 s und t = 3 s ungleich null, und h(t) nur zwischen t = 3 s und t = 5 s. Bestimme die Zeit tend, zu der y(t) = x(t) ∗ h(t) endet.

x: 2 … 3 sh: 3 … 5 s
tend = s
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
u[n]2+y[n]−0,8·z⁻¹+

Ein System gehorcht y[n] = −0,8·y[n − 1] + 2·x[n] und startet in Ruhe. Die Eingangsgröße ist der Einheitssprung x[n] = u[n]. Bestimme y[4].

y[n] = −0,8y[n − 1] + 2x[n]x[n] = u[n]
y[4] =

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: k = 0,03008 min⁻¹

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.

Verhältnis der Temperaturdifferenzen

e−58k = 58/332

Nach k auflösen

k = ln(332/58)/58 = 0,03008 min⁻¹

Antwort

k = 0,03008 min⁻¹
2.Differentialgleichungen

Antwort: y(0.75) = −2,005

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.

Komplexe Wurzeln

r = −0,5 ± 4j

Konstanten

A = 3, B = 0,5·3/4 = 0,375

Auswerten

y(0,75) = e−0,375(3·cos 3 + 0,375·sin 3) = −2,005

Antwort

y(0,75) = −2,005
3.Matrizen & Determinanten

Antwort: c22 = 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

c22 = (−3)·(−1) + (−5)·(−5) = 28

Antwort

c22 = 28
4.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = −5

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 = 2·4 − (−2)·(−2) = 4

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = (−11)·4 − (−2)·12 = −20
x = −20/4 = −5

Antwort

x = −5
y = 0,5
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: a·b = 4

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 = 0·6 + (−2)·4 + 3·4 = 0 + (−8) + 12 = 4

Antwort

a·b = 4

Positiv: Der Winkel zwischen den Vektoren ist kleiner als 90°.

6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: |M| = 545,5 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 = (4, −4, −4) − (0, 0, 0) = (4, −4, −4) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−4)·(−50) − (−4)·60 = 440 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−4)·(−20) − 4·(−50) = 280 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 4·60 − (−4)·(−20) = 160 N·m

Betrag

|M| = √(440² + 280² + 160²) = 545,5 N·m

Antwort

|M| = 545,5 N·m
7.Integrale

Antwort: I = 1,742

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 = sin x dx, v = −cos x

Stammfunktion

∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x

Grenzwerte

(−2·cos 2 + sin 2) − (0 + 0) = 1,742

Antwort

I = 1,742
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: Duf = 1,82

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.

Gradient im Punkt

fx = −3y²e−xy → fx(0,5, 1) = −1,82
fy = 3e−xy(1 − xy) → fy(0,5, 1) = 0,9098

Einheitsvektor

|v| = √((−4)² + 0²) = 4
u = (−1, 0)

Skalarprodukt

Duf = (−1,82)·(−1) + 0,9098·0 = 1,82

Antwort

Duf = 1,82
10.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: A (2, 2)

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 = 3x² − 6y = 0
fy = 3y² − 6x = 0
(0, 0), (2, 2)

Test mit der zweiten Ableitung

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −6, D = −36 → Sattelpunkt
(2, 2): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −6, D = 108 → lokales Minimum

Der Punkt

A (2, 2): lokales Minimum

Antwort

A (2, 2)
11.Folgen & Reihen

Antwort: S = 6,25

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.

Partialbruchzerlegung

12/(k(k + 4)) = (12/4)·(1/k − 1/(k + 4))

Abbrechen

S = (12/4)·(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4) = 6,25

Antwort

S = 6,25
12.Folgen & Reihen

Antwort: n = 13

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.

n(n + 1)!Schranke261,3333240,666741200,266757200,08889650400,02547403200,00634983628800,001411936288000,000282210399168005,131 × 10⁻⁵114790016008,551 × 10⁻⁶1262270208001,316 × 10⁻⁶13871782912001,879 × 10⁻⁷

Schranken für wachsendes n

n = 12: 1,316 × 10⁻⁶ ≥ 1 × 10⁻⁶
n = 13: 1,879 × 10⁻⁷ < 1 × 10⁻⁶

Kleinster Grad

n = 13

Antwort

n = 13
13.Laplace-Transformationen

Antwort: A = 4,333

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 + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 5)

Zuhaltemethode

Multipliziere mit (s + 2) und setze s = −2: Der B-Term verschwindet.

A = (4s + 21)/(s + 5) |s = −2 = 13/3 = 4,333

Antwort

A = 4,333
(B = −0,3333, also f(t) = 4,333·e−2t − 0,3333·e−5t)
14.Laplace-Transformationen

Antwort: y(0.25) = 0,2784

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

Y(s) = 18/(s(s + 3)(s + 6))

Partialbruchzerlegung

A = 18/(3·6) = 1
B = 18/((−3)·3) = −2
C = 18/((−6)·(−3)) = 1

Ausfuhr

y(t) = 1 − 2·e−3t + e−6t
y(0,25) = 0,2784

Antwort

y(0,25) = 0,2784
15.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: tend = 8 s

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).

Beginn und Ende

tstart = 2 + 3 = 5 s
tend = 3 + 5 = 8 s

Antwort

tend = 8 s

Antwort

tend = 8 s
16.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: y[4] = 1,475

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)|.

Iterieren

y[0] = 2
y[1] = 0,4
y[2] = 1,68
y[3] = 0,656
y[4] = 1,475

Ergebnis

y[4] = 2·(1 − (−0,8)5)/(1 − (−0,8)) = 1,475

Antwort

y[4] = 1,475

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