Ingenieurmathematik 2: Lernpaket

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

Neue AufgabenZurück zum Kurs

Wähle im Druckfenster „Als PDF speichern“, um eine Kopie auf deinem Gerät zu behalten.

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
tyy(0) = 1y(1,5) = ?

Löse y″ + 6y′ + 5y = 0 mit y(0) = 1 und y′(0) = 0. Bestimme y(1,5).

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1.5) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
tyK = 5ymax​ = ?

Ein System gehorcht y″ + y′ + 9,25y = 46,25 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme den Spitzenwert ymax seiner Sprungantwort.

y″ + y′ + 9,25y = 46,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Matrizen & DeterminantenMittel
A =−2−1−5−101−52−3

Bestimme die Determinante det A der gezeigten 3×3-Matrix A.

A = [−2 −1 −5; −1 0 1; −5 2 −3]
det A =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =234−2

Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.

A = [2 3; 4 −2]
λ =
5.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme das Skalarprodukt a·b von a = (−3, −5, −5) und b = (−2, −3, −6).

a = (−3, −5, −5)b = (−2, −3, −6)
a·b =
6.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzab

Der Einheitsvektor n̂ steht senkrecht auf a = (−3, −4, 3) und b = (−1, 1, −1) und hat eine positive z-Komponente. Bestimme seine x-Komponente n̂x.

a = (−3, −4, 3)b = (−1, 1, −1)n̂z > 0
n̂x =
7.IntegraleMittel
xy26

Berechne I = ∫26 2/x dx.

f(x) = 2/x[2, 6]
I =
8.IntegraleSchwer
xyy = 2x2​y = 3x

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = 3x eingeschlossen wird.

y = 2x2y = 3x
A =
9.Analysis mehrerer VariablenMittel
xy12∇fP

Bestimme für f(x, y) = 3 ln(x² + y²) die maximale Änderungsrate von f im Punkt (1, 2), also |∇f|.

f(x, y) = 3 ln(x² + y²)P = (1, 2)
|∇f| =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xy−202−202(0, 0)(1, 1)(−1, −1)

Bestimme die kritischen Punkte von f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy, klassifiziere sie und gib den Wert fmin von f an ihrem lokalen Minimum an.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy
fmin =
11.Folgen & ReihenMittel
AΣ (3/5)ᵏk = 1 … ∞BΣ k²/5ᵏk = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞DΣ (4/3)ᵏk = 1 … ∞

Genau eine der vier Reihen divergiert. Klicke sie an.

A: Σ (3/5)ᵏB: Σ k²/5ᵏC: Σ (−1)ᵏ/√kD: Σ (4/3)ᵏ
  1. 1A: Σ (3/5)ᵏ
  2. 2B: Σ k²/5ᵏ
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/√k
  4. 4D: Σ (4/3)ᵏ
12.Folgen & ReihenSchwer

Erkenne die Reihe und bestimme ihre Summe: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·22k+1/(2k + 1)!.

ak = (−1)ᵏ·22k+1/(2k + 1)!
S =
13.Laplace-TransformationenMittel
ReIm−55

Bestimme f(t) für F(s) = (3s + 22)/(s² + 8s + 41) mit quadratischer Ergänzung und werte f(0,2) aus.

F(s) = (3s + 22)/(s² + 8s + 41)t = 0,2 s
f(0.2) =
14.Laplace-TransformationenSchwer
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Löse y″ + 6y′ + 8y = 0 mit y(0) = 8 und y′(0) = 11 mit der Laplace-Transformation und bestimme y(0,4).

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 8y′(0) = 11t = 0,4 s
y(0.4) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
x(t)t2h(t)t1

Die Eingangsgröße x(t) = 2·e−1tu(t) wird auf ein System mit h(t) = e−0,5tu(t) gegeben. Bestimme die Ausgangsgröße y(0,25) bei t = 0,25 s.

x(t) = 2·e−1tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 0,25 s
y(0.25) =
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
x(t)t (ms)1245−5

Eine Dreieckschwingung steigt und fällt linear zwischen −5 und +5 mit der Periodendauer T = 2 ms. Bestimme die Amplitude c1 ihrer Fourier-Komponente bei 500 Hz.

±5T = 2 msf = 500 Hz
c1 =

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: y(1.5) = 0,2788

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(1,5) = 1,25·e−1,5 + (−0,25)·e−7,5 = 0,2788

Antwort

y(1,5) = 0,2788
2.Differentialgleichungen

Antwort: ymax = 7,962

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 = 5, r = −0,5 ± 3j

Konstanten aus den Anfangswerten

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −0,5A + 3B = 0 → B = −0,8333

Spitzenwert

t = π/3 = 1,047
ymax = 5·(1 + e−0,5·π/3) = 7,962

Antwort

ymax = 7,962
3.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = 22

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.

2×2-Minoren der ersten Zeile

M₁₁ = −2, M₁₂ = 8, M₁₃ = −2

Laplace-Entwicklung

det A = (−2)·(−2) − (−1)·8 + (−5)·(−2) = 22

Antwort

det A = 22
4.Matrizen & Determinanten

Antwort: λ = 4

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.

Charakteristische Gleichung

λ² − (0)λ + (−16) = 0

Lösen

λ = (0 ± √(64))/2 → λ = −4, 4
λ = 4

Antwort

λ = 4
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: a·b = 51

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)·(−2) + (−5)·(−3) + (−5)·(−6) = 6 + 15 + 30 = 51

Antwort

a·b = 51

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

6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: n̂x = −0,1078

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.

Kreuzprodukt

(a × b)x = aybz − azby = (−4)·(−1) − 3·1 = 1
(a × b)y = azbx − axbz = 3·(−1) − (−3)·(−1) = −6
(a × b)z = axby − aybx = (−3)·1 − (−4)·(−1) = −7

Normieren

Die z-Komponente von a × b ist negativ, verwende also −(a × b).

|a × b| = √(1² + (−6)² + (−7)²) = 9,274
n̂ = −(1, −6, −7)/9,274 = (−0,1078, 0,647, 0,7548)
n̂x = −0,1078

Antwort

n̂x = −0,1078
7.Integrale

Antwort: I = 2,197

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) = 2·ln x

An den Grenzen auswerten

I = 2·(ln 6 − ln 2) = 2·ln 3 = 2,197

Antwort

I = 2,197
8.Integrale

Antwort: A = 1,125

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 = 3x → x = 0, x = 1,5

Obere minus untere integrieren

A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125

Antwort

A = 1,125
9.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: |∇f| = 2,683

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.

Partielle Ableitungen

fx = 6x/(x² + y²) → fx(1, 2) = 1,2
fy = 6y/(x² + y²) → fy(1, 2) = 2,4

Länge des Gradienten

|∇f| = √(1,2² + 2,4²) = 2,683

Antwort

|∇f| = 2,683
10.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: fmin = −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 = 4x³ − 4y = 0
fy = 4y³ − 4x = 0
(0, 0), (1, 1), (−1, −1)

Test mit der zweiten Ableitung

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −4, D = −16 → Sattelpunkt
(1, 1): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4, D = 128 → lokales Minimum
(−1, −1): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −4, D = 128 → lokales Minimum

Wert am Extremum

f(−1, −1) = −2

Antwort

fmin = −2
11.Folgen & Reihen

Antwort: D: Σ (4/3)ᵏ

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 (3/5)ᵏ → Geometrisch mit r = 3/5, |r| < 1: konvergiert.
B: Σ k²/5ᵏ → Quotientenkriterium: L = 1/5 < 1, konvergiert.
C: Σ (−1)ᵏ/√k → Alternierend, mit gegen 0 fallendem 1/√k: konvergiert (bedingt).
D: Σ (4/3)ᵏ → Geometrisch mit r = 4/3 > 1: Die Glieder wachsen, sie divergiert also.

Die Antwort

D: Σ (4/3)ᵏ

Antwort

D: Σ (4/3)ᵏ
12.Folgen & Reihen

Antwort: S = 0,9093

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.

Standardreihen

Σ (−1)ᵏx2k+1/(2k + 1)! = sin x

Einsetzen

x = 2
S = sin 2 = 0,9093

Antwort

S = 0,9093
13.Laplace-Transformationen

Antwort: f(0.2) = 1,485

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).

Quadratische Ergänzung

s² + 8s + 41 = (s + 4)² + 25 = (s + 4)² + 5²

Zähler anpassen

F(s) = 3·(s + 4)/((s + 4)² + 5²) + (10/5)·5/((s + 4)² + 5²)

Rücktransformation

f(t) = e−4t·(3·cos 5t + 2·sin 5t)
f(0,2) = e−4·0,2·(3·cos(5·0,2) + 2·sin(5·0,2)) = 1,485

Antwort

f(0,2) = 1,485
14.Laplace-Transformationen

Antwort: y(0.4) = 6,935

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 − 8s − 11 + 6(sY − 8) + 8Y = 0
Y(s) = (8s + 59)/((s + 2)(s + 4))

Partialbruchzerlegung

A = 43/2 = 21,5
B = 27/(−2) = −13,5

Ergebnis

y(t) = 21,5·e−2t − 13,5·e−4t
y(0,4) = 6,935

Antwort

y(0,4) = 6,935

Kontrolle: y(0) = A + B = 8.

15.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: y(0.25) = 0,4148

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).

Faltungsintegral

y(t) = 2e−0,5t∫₀ᵗ e−(1 − 0,5)τ dτ = 2(e−0,5t − e−1t)/(0,5)

Auswerten

y(0,25) = 2·(0,8825 − 0,7788)/(0,5) = 0,4148

Antwort

y(0,25) = 0,4148
16.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: c1 = 4,053

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)|.

Ordnung der Oberschwingung

f₀ = 1/T = 500 Hz → k = 1

Amplitude

c1 = 8·5/(π²·1²) = 4,053

Antwort

c1 = 4,053

ExamProblems · examproblems.com/courses/engineering-mathematics-2