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)55Ta​139 °C72 °C

Ein geschmiedetes Stahlteil mit 360 °C kühlt in einer Werkstatt mit 28 °C ab. Nach 55 min beträgt die Temperatur 139 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wie lange nach dem Start, t, dauert es, bis 72 °C erreicht sind?

T0 = 360 °CTa = 28 °CT(55) = 139 °CT = 72 °C
t = min
2.DifferentialgleichungenSchwer
t (min)m (kg)t = ?8 kg

Ein Behälter enthält 200 L reines Wasser. Salzlösung mit 0,1 kg Salz pro Liter fließt mit 5 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Nach wie vielen Minuten t enthält der Behälter 8 kg Salz?

V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,1 kg/Lr = 5 L/min
t = min
3.Matrizen & DeterminantenMittel
A =−3202−5−301−3

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

A = [−3 2 0; 2 −5 −3; 0 1 −3]
det A =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =−32−54

Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.

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

Bestimme das Skalarprodukt a·b von a = (−1, −3, −4) und b = (3, −1, −2).

a = (−1, −3, −4)b = (3, −1, −2)
a·b =
6.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzab

Der Einheitsvektor n̂ steht senkrecht auf a = (0, −2, 4) und b = (3, 0, 1) und hat eine positive z-Komponente. Bestimme seine y-Komponente n̂y.

a = (0, −2, 4)b = (3, 0, 1)n̂z > 0
n̂y =
7.IntegraleMittel
xyπ/2y = x·cos x

Berechne I = ∫₀π/2 x·cos x dx (x im Bogenmaß).

∫₀π/2 x·cos x dx
I =
8.IntegraleSchwer
xyy = 0,5x2​y = x

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 0,5x2 und y = x eingeschlossen wird.

y = 0,5x2y = x
A =
9.Analysis mehrerer VariablenMittel
xy−23P

Die Tangentialebene an z = 2xy³ − y³ + xy im Punkt (x, y) = (−2, 3) lässt sich als z = px + qy + c schreiben. Bestimme c.

f(x, y) = 2xy³ − y³ + xy(a, b) = (−2, 3)
c =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xyx = 3y = 0,5x31,5

Berechne I = ∬T (4x + y) dA über das Dreieck T, das von y = 0, x = 3 und y = 0,5x begrenzt wird.

f = 4x + y0 ≤ x ≤ 30 ≤ y ≤ 0,5x
I =
11.Folgen & ReihenMittel
kSn​12345678910

Bestimme die Summe S = Σk=138 5/(k(k + 1)).

ak = 5/(k(k + 1))n = 38
S =
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−5−10−15−20−25−30

F(s) = (s + 27)/(s² + 9s + 8). Ihre Rücktransformierte hat die Form f(t) = A·e−t + B·e−8t. Bestimme den Koeffizienten A mit der Partialbruchzerlegung.

F(s) = (s + 27)/(s² + 9s + 8)
A =
14.Laplace-TransformationenSchwer
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Löse y″ + 4y′ + 3y = 0 mit y(0) = −10 und y′(0) = 14 mit der Laplace-Transformation und bestimme y(0,3).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = −10y′(0) = 14t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
x(t)t11h(t)t1

Der Impuls x(t) = 1 für 0 ≤ t < 1 s (sonst null) wird auf ein System mit h(t) = e−0,5tu(t) gegeben. Bestimme die Ausgangsgröße y(2,5) bei t = 2,5 s, nachdem der Impuls geendet hat.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−0,5tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
5cos(5t)h(t) = 5e−5t​u(t)y(t)

Die Eingangsgröße x(t) = 5·cos(5t) wird auf ein System mit h(t) = 5·e−5tu(t) gegeben. Bestimme die Phase φ der Ausgangsgröße im eingeschwungenen Zustand relativ zur Eingangsgröße in Grad.

h(t) = 5e−5tu(t)x(t) = 5cos(5t)
φ = °

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: t = 101,5 min

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.

Abkühlungskonstante

k = ln(332/111)/55 = 0,01992 min⁻¹

Zeit bis zum Zielwert

t = ln(332/44)/0,01992 = 101,5 min

Antwort

t = 101,5 min
2.Differentialgleichungen

Antwort: t = 20,43 min

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.

Ergebnis

m(t) = 20 + (−20)·e−t/40

Nach t auflösen

e−t/40 = (20 − 8)/(20 − 0) = 0,6
t = 40·ln(1,667) = 20,43 min

Antwort

t = 20,43 min
3.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = −42

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 = 18, M₁₂ = −6, M₁₃ = 2

Laplace-Entwicklung

det A = (−3)·18 − 2·(−6) + 0·2 = −42

Antwort

det A = −42
4.Matrizen & Determinanten

Antwort: λ = 2

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 − (1)λ + (−2) = 0

Lösen

λ = (1 ± √(9))/2 → λ = −1, 2
λ = 2

Antwort

λ = 2
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: a·b = 8

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 = (−1)·3 + (−3)·(−1) + (−4)·(−2) = (−3) + 3 + 8 = 8

Antwort

a·b = 8

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

6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: n̂y = 0,8847

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 = (−2)·1 − 4·0 = −2
(a × b)y = azbx − axbz = 4·3 − 0·1 = 12
(a × b)z = axby − aybx = 0·0 − (−2)·3 = 6

Normieren

Die z-Komponente von a × b ist bereits positiv.

|a × b| = √((−2)² + 12² + 6²) = 13,56
n̂ = (−2, 12, 6)/13,56 = (−0,1474, 0,8847, 0,4423)
n̂y = 0,8847

Antwort

n̂y = 0,8847
7.Integrale

Antwort: I = 0,5708

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 = cos x dx, v = sin x

Stammfunktion

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

Grenzwerte

(π/2·sin π/2 + cos π/2) − (0 + 1) = 0,5708

Antwort

I = 0,5708
8.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
9.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: c = 384

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.

Wert und Steigungen im Punkt

f(−2, 3) = −141
fx = 2y³ + y → fx(−2, 3) = 57
fy = 6xy² − 3y² + x → fy(−2, 3) = −137

Tangentialebene

z = −141 + 57(x + 2) − 137(y − 3)
z = 57x − 137y + 384

Konstanter Term

c = 384

Antwort

c = 384
10.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: I = 19,13

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).

Grenzwerte

0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ 0,5x

Inneres Integral

∫00,5x (4x + y) dy = 4x·0,5x + (0,5x)²/2 = 2,125x²

Äußeres Integral

I = 2,125·3³/3 = 19,13

Antwort

I = 19,13
11.Folgen & Reihen

Antwort: S = 4,872

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

5/(k(k + 1)) = 5·(1/k − 1/(k + 1))

Abbrechen

S = 5·(1 − 1/39) = 4,872

Antwort

S = 4,872
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: A = 3,714

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 + 9s + 8 = (s + 1)(s + 8)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 8)

Zuhaltemethode

Multipliziere mit (s + 1) und setze s = −1: Der B-Term verschwindet.

A = (s + 27)/(s + 8) |s = −1 = 26/7 = 3,714

Antwort

A = 3,714
(B = −2,714, also f(t) = 3,714·e−t − 2,714·e−8t)
14.Laplace-Transformationen

Antwort: y(0.3) = −6,74

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 − (−10)s − 14 + 4(sY − (−10)) + 3Y = 0
Y(s) = (−10s − 26)/((s + 1)(s + 3))

Partialbruchzerlegung

A = −16/2 = −8
B = 4/(−2) = −2

Ergebnis

y(t) = −8·e−t − 2·e−3t
y(0,3) = −6,74

Antwort

y(0,3) = −6,74

Kontrolle: y(0) = A + B = −10.

15.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: y(2.5) = 0,3717

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).

Ausgangsgröße am Ende des Impulses

y(1) = (1/0,5)(1 − e−0,5) = 0,7869

Abklingen nach dem Impuls

y(2,5) = 0,7869·e−0,5·1,5 = 0,3717

Antwort

y(2,5) = 0,3717
16.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: φ = −45 °

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)|.

Frequenzgang

H(jω) = 5/(5 + jω)

Phase bei der Eingangsfrequenz

φ = −atan(5/5) = −45°

Antwort

φ = −45°

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