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)16Ta​T = ?

Eine Tasse Kaffee mit 88 °C steht in einem Raum mit 21 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme mit k = 0,11 min⁻¹ die Temperatur T nach 16 min.

T0 = 88 °CTa = 21 °Ck = 0,11 min⁻¹t = 16 min
T = °C
2.DifferentialgleichungenSchwer
tyK = 2y(0,5) = ?

Ein System gehorcht y″ + 3y′ + 6,25y = 12,5 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme y(0,5); Winkel im Bogenmaß.

y″ + 3y′ + 6,25y = 12,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.Matrizen & DeterminantenMittel
A =−4−66−6B =1−65−2

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

A = [−4 −6; 6 −6]B = [1 −6; 5 −2]
c22 =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =2314

Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.

A = [2 3; 1 4]
λ =
5.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme die skalare Projektion compb a von a = (5, −4, 3) auf b = (−3, −1, 0), also die Komponente von a in Richtung von b.

a = (5, −4, 3)b = (−3, −1, 0)
compb a =
6.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzab

Der Einheitsvektor n̂ steht senkrecht auf a = (4, −4, −4) und b = (−1, 2, 5) und hat eine positive z-Komponente. Bestimme seine y-Komponente n̂y.

a = (4, −4, −4)b = (−1, 2, 5)n̂z > 0
n̂y =
7.IntegraleMittel
xy4y = 3x

Das Gebiet unter y = 3x von x = 0 bis x = 4 wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers (ein Kegel).

y = 3x0 ≤ x ≤ 4
V =
8.IntegraleSchwer
xy−22

Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 4 − x² und der x-Achse.

y = 4 − x²
A =
9.Analysis mehrerer VariablenMittel
xy3−1∇fP

Bestimme für f(x, y) = 5x²y³ − 4x³ − 2y² + 4xy die maximale Änderungsrate von f im Punkt (3, −1), also |∇f|.

f(x, y) = 5x²y³ − 4x³ − 2y² + 4xyP = (3, −1)
|∇f| =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xy02−1012(0, 0)(1, 1)

Bestimme die kritischen Punkte von f(x, y) = x³ + y³ − 3xy, klassifiziere sie und gib den Wert fmin von f an ihrem lokalen Minimum an.

f(x, y) = x³ + y³ − 3xy
fmin =
11.Folgen & ReihenMittel
kSn​12345678910S = ?

Bestimme die Summe S = Σk=1∞ 2/(k(k + 3)).

ak = 2/(k(k + 3))
S =
12.Folgen & ReihenSchwer

f(x) = cos x wird bei x = 0,5 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 0,0005 garantiert.

f(x) = cos xx = 0,5M = 1ε = 0,0005
n =
13.Laplace-TransformationenMittel
t (s)f(t)t = 0,75f(0,75) = ?

Bestimme f(t) für F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 6)) mit der Partialbruchzerlegung und werte f(0,75) aus.

F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 6))t = 0,75 s
f(0.75) =
14.Laplace-TransformationenSchwer
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

Ein System gehorcht y″ + 7y′ + 6y = 18·u(t), mit y(0) = 1 und y′(0) = 0. Bei t = 0 wird ein Sprung u(t) = 5 auf den Eingang gegeben. Bestimme mit der Laplace-Transformation y(1).

y″ + 7y′ + 6y = 18·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 5t = 1 s
y(1) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
x(t)t−10h(t)t−11

Das Signal x(t) ist nur zwischen t = −1 s und t = 0 s ungleich null, und h(t) nur zwischen t = −1 s und t = 1 s. Bestimme die Zeit tend, zu der y(t) = x(t) ∗ h(t) endet.

x: −1 … 0 sh: −1 … 1 s
tend = s
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
2cos(4t)h(t) = 10e−2t​u(t)y(t)

Die Eingangsgröße x(t) = 2·cos(4t) wird auf ein System mit h(t) = 10·e−2tu(t) gegeben. Bestimme die Amplitude Ym der Ausgangsgröße im eingeschwungenen Zustand.

h(t) = 10e−2tu(t)x(t) = 2cos(4t)
Ym =

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: T = 32,53 °C

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.

Lösung des Abkühlungsgesetzes

T(t) = 21 + 67·e−0,11t

t einsetzen

T(16) = 21 + 67·0,172 = 32,53 °C

Antwort

T = 32,53 °C
2.Differentialgleichungen

Antwort: y(0.5) = 0,8933

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 = 2, r = −1,5 ± 2j

Konstanten aus den Anfangswerten

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1,5A + 2B = 0 → B = −1,5

Auswerten

y(0,5) = 2·(1 − e−0,75(cos 1 + 0,75·sin 1)) = 0,8933

Antwort

y(0,5) = 0,8933
3.Matrizen & Determinanten

Antwort: c22 = −24

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 = 6·(−6) + (−6)·(−2) = −24

Antwort

c22 = −24
4.Matrizen & Determinanten

Antwort: λ = 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.

Charakteristische Gleichung

λ² − (6)λ + (5) = 0

Lösen

λ = (6 ± √(16))/2 → λ = 1, 5
λ = 5

Antwort

λ = 5
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: compb a = −3,479

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.

Skalarprodukt

a·b = 5·(−3) + (−4)·(−1) + 3·0 = −11

Länge von b

|b| = √((−3)² + (−1)² + 0²) = 3,162

Skalare Projektion

compb a = a·b/|b| = −11/3,162 = −3,479

Antwort

compb a = −3,479

Negativ: a hat eine Komponente, die entgegen b zeigt.

6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: n̂y = −0,7845

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)·5 − (−4)·2 = −12
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·(−1) − 4·5 = −16
(a × b)z = axby − aybx = 4·2 − (−4)·(−1) = 4

Normieren

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

|a × b| = √((−12)² + (−16)² + 4²) = 20,4
n̂ = (−12, −16, 4)/20,4 = (−0,5883, −0,7845, 0,1961)
n̂y = −0,7845

Antwort

n̂y = −0,7845
7.Integrale

Antwort: V = 603,2

Rotationsvolumen: Dreht man das Gebiet unter y = f(x) von x = a bis x = b um die x-Achse, entsteht ein Körper, dessen Querschnitt bei x eine Kreisscheibe mit Radius f(x) ist. Die Summe der Scheiben ergibt V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Liegt das Gebiet zwischen einer äußeren Kurve R(x) und einer inneren Kurve r(x), ist jede Scheibe ein Ring: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Quadriere die Radien, bevor du sie subtrahierst.

Scheibenmethode

V = π∫₀4 9x² dx

Integrieren

V = π·9·4³/3 = 603,2

Antwort

V = 603,2

Kontrolle: Ein Kegel mit dem Radius 12 und der Höhe 4 hat (1/3)πr²h = 603,2.

8.Integrale

Antwort: A = 10,67

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.

Nullstellen

4 − x² = 0 → x = ±2

Integrieren

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Antwort

A = 10,67
9.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: |∇f| = 207,3

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 = 10xy³ − 12x² + 4y → fx(3, −1) = −142
fy = 15x²y² − 4y + 4x → fy(3, −1) = 151

Länge des Gradienten

|∇f| = √((−142)² + 151²) = 207,3

Antwort

|∇f| = 207,3
10.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: fmin = −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 = 3x² − 3y = 0
fy = 3y² − 3x = 0
(0, 0), (1, 1)

Test mit der zweiten Ableitung

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −3, D = −9 → Sattelpunkt
(1, 1): fxx = 6, fyy = 6, fxy = −3, D = 27 → lokales Minimum

Wert am Extremum

f(1, 1) = −1

Antwort

fmin = −1
11.Folgen & Reihen

Antwort: S = 1,222

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

2/(k(k + 3)) = (2/3)·(1/k − 1/(k + 3))

Abbrechen

S = (2/3)·(1 + 1/2 + 1/3) = 1,222

Antwort

S = 1,222
12.Folgen & Reihen

Antwort: n = 4

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)!Schranke010,5120,125260,020833240,00260441200,0002604

Schranken für wachsendes n

n = 3: 0,002604 ≥ 0,0005
n = 4: 0,0002604 < 0,0005

Kleinster Grad

n = 4

Antwort

n = 4
13.Laplace-Transformationen

Antwort: f(0.75) = 2,516

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).

Partialbruchzerlegung

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 6)
A = 45/(2·6) = 3,75
B = 45/((−2)·4) = −5,625
C = 45/((−6)·(−4)) = 1,875

Rücktransformation

f(t) = 3,75 − 5,625·e−2t + 1,875·e−6t

Auswerten

f(0,75) = 3,75 − 5,625·e−2·0,75 + 1,875·e−6·0,75 = 2,516

Antwort

f(0,75) = 2,516
14.Laplace-Transformationen

Antwort: y(1) = 8,827

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

(s² + 7s + 6)·Y(s) = 1s + 7 + 90/s
Y(s) = (s² + 7s + 90)/(s(s + 1)(s + 6))

Partialbruchzerlegung

A = 90/(1·6) = 15
B = 84/((−1)·5) = −16,8
C = 84/((−6)·(−5)) = 2,8

Ergebnis

y(t) = 15 − 16,8·e−t + 2,8·e−6t
y(1) = 8,827

Antwort

y(1) = 8,827

Kontrolle: y(0) = A + B + C = 1.

15.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: tend = 1 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 = −1 + (−1) = −2 s
tend = 0 + 1 = 1 s

Antwort

tend = 1 s

Antwort

tend = 1 s
16.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: Ym = 4,472

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) = 10/(2 + jω)

Verstärkung bei der Eingangsfrequenz

|H(j4)| = 10/√(2² + 4²) = 2,236
Ym = 2·2,236 = 4,472

Antwort

Ym = 4,472

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