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
tyy(0) = 2y(1) = ?

Löse y″ + 8y′ + 16y = 0 mit y(0) = 2 und y′(0) = 0. Bestimme y(1).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
tyK = 5y(0,75) = ?

Ein System gehorcht y″ + y′ + 4,25y = 21,25 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme y(0,75); Winkel im Bogenmaß.

y″ + y′ + 4,25y = 21,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.Matrizen & DeterminantenMittel
A =−2435−3−2−5−15

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

A = [−2 4 3; 5 −3 −2; −5 −1 5]
det A =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =−12−56

Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.

A = [−1 2; −5 6]
λ =
5.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme die skalare Projektion compb a von a = (2, 4, 2) auf b = (−3, 0, −3), also die Komponente von a in Richtung von b.

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

Bestimme das Volumen V des Spats (Parallelepipeds), dessen Kanten von einer Ecke aus a = (1, 2, −4), b = (5, 0, −4) und c = (−1, −4, −4) sind.

a = (1, 2, −4)b = (5, 0, −4)c = (−1, −4, −4)
V =
7.IntegraleMittel
xy01

Berechne I = ∫01 2x·(x² + 1)1 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 1]
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
xy1−1P

Die Tangentialebene an z = ln(x² + 2y²) im Punkt (x, y) = (1, −1) lässt sich als z = px + qy + c schreiben. Bestimme c.

f(x, y) = ln(x² + 2y²)(a, b) = (1, −1)
c =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xy02−101(2, 0)

f(x, y) = −2x² + 3xy − 3y² + 8x − 6y + 1 hat einen kritischen Punkt bei (2, 0). Berechne dort die Diskriminante D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = −2x² + 3xy − 3y² + 8x − 6y + 1P = (2, 0)
D =
11.Folgen & ReihenMittel
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Wende das Quotientenkriterium auf Σk=1∞ (k!)²·1ᵏ/(2k)! an. Bestimme L = lim |ak+1/ak|.

ak = (k!)²·1ᵏ/(2k)!
L =
12.Folgen & ReihenSchwer

Bestimme den Koeffizienten c₃ von (x − 2)³ in der Taylor-Reihe von f(x) = e3x um a = 2.

f(x) = e3xa = 2k = 3
c₃ =
13.Laplace-TransformationenMittel
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (3s + 20)/(s² + 11s + 28). Ihre Rücktransformierte hat die Form f(t) = A·e−4t + B·e−7t. Bestimme den Koeffizienten A mit der Partialbruchzerlegung.

F(s) = (3s + 20)/(s² + 11s + 28)
A =
14.Laplace-TransformationenSchwer
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Löse y″ + 4y′ + 3y = 0 mit y(0) = 3 und y′(0) = −7 mit der Laplace-Transformation und bestimme y(0,5).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 3y′(0) = −7t = 0,5 s
y(0.5) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
x(t)t4h(t)t11

Ein System hat die Impulsantwort h(t) = e−1tu(t). Die Eingangsgröße ist ein Sprung x(t) = 4·u(t). Bestimme die Ausgangsgröße y(2) bei t = 2 s.

h(t) = e−1tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 2 s
y(2) =
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
x(t)t (ms)0,5121−1

Eine Dreieckschwingung steigt und fällt linear zwischen −1 und +1 mit der Periodendauer T = 1 ms. Bestimme die Amplitude c5 ihrer Fourier-Komponente bei 5000 Hz.

±1T = 1 msf = 5000 Hz
c5 =

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: y(1) = 0,1832

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.

Doppelte Wurzel

(r + 4)² = 0 → r = −4

Konstanten

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 4A → B = 0 + 8 = 8

Auswerten

y(1) = (2 + 8·1)·e−4 = 0,1832

Antwort

y(1) = 0,1832
2.Differentialgleichungen

Antwort: y(0.75) = 3,9

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 ± 2j

Konstanten aus den Anfangswerten

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −0,5A + 2B = 0 → B = −1,25

Auswerten

y(0,75) = 5·(1 − e−0,375(cos 1,5 + 0,25·sin 1,5)) = 3,9

Antwort

y(0,75) = 3,9
3.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = −86

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 = −17, M₁₂ = 15, M₁₃ = −20

Laplace-Entwicklung

det A = (−2)·(−17) − 4·15 + 3·(−20) = −86

Antwort

det A = −86
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 − (5)λ + (4) = 0

Lösen

λ = (5 ± √(9))/2 → λ = 1, 4
λ = 4

Antwort

λ = 4
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: compb a = −2,828

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 = 2·(−3) + 4·0 + 2·(−3) = −12

Länge von b

|b| = √((−3)² + 0² + (−3)²) = 4,243

Skalare Projektion

compb a = a·b/|b| = −12/4,243 = −2,828

Antwort

compb a = −2,828

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

6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: V = 112

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 0·(−4) − (−4)·(−4) = −16
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−4)·(−1) − 5·(−4) = 24
(b × c)z = bxcy − bycx = 5·(−4) − 0·(−1) = −20

Skalarprodukt mit a

a·(b × c) = 1·(−16) + 2·24 + (−4)·(−20) = 112
V = |112| = 112

Antwort

V = 112
7.Integrale

Antwort: I = 1,5

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.

Substitution

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u1 du

Integrieren und auswerten

I = [u2/2]12 = (4 − 1)/2 = 1,5

Antwort

I = 1,5
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 = −0,9014

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(1, −1) = 1,099
fx = 2x/(x² + 2y²) → fx(1, −1) = 0,6667
fy = 4y/(x² + 2y²) → fy(1, −1) = −1,333

Tangentialebene

z = 1,099 + 0,6667(x − 1) − 1,333(y + 1)
z = 0,6667x − 1,333y − 0,9014

Konstanter Term

c = −0,9014

Antwort

c = −0,9014
10.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: D = 15

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).

Zweite Ableitungen

fxx = −4, fyy = −6, fxy = 3

Diskriminante

D = (−4)·(−6) − 3² = 15
→ lokales Maximum

Antwort

D = 15
11.Folgen & Reihen

Antwort: L = 0,25

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.

Quotient aufeinanderfolgender Glieder

|ak+1/ak| = 1·(k + 1)²/((2k + 2)(2k + 1)) → 1/4

Schlussfolgerung

L = 0,25 < 1

Antwort

L = 0,25

L < 1, die Reihe konvergiert also.

12.Folgen & Reihen

Antwort: c₃ = 1815

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.

Ableitung f⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = 3³·e3x

Koeffizient

c₃ = 3³·e6/3! = 1815
c₃ = 1815

Antwort

c₃ = 1815
13.Laplace-Transformationen

Antwort: A = 2,667

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 + 28 = (s + 4)(s + 7)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 7)

Zuhaltemethode

Multipliziere mit (s + 4) und setze s = −4: Der B-Term verschwindet.

A = (3s + 20)/(s + 7) |s = −4 = 8/3 = 2,667

Antwort

A = 2,667
(B = 0,3333, also f(t) = 2,667·e−4t + 0,3333·e−7t)
14.Laplace-Transformationen

Antwort: y(0.5) = 1,053

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 − 3s − (−7) + 4(sY − 3) + 3Y = 0
Y(s) = (3s + 5)/((s + 1)(s + 3))

Partialbruchzerlegung

A = 2/2 = 1
B = −4/(−2) = 2

Ergebnis

y(t) = e−t + 2·e−3t
y(0,5) = 1,053

Antwort

y(0,5) = 1,053

Kontrolle: y(0) = A + B = 3.

15.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: y(2) = 3,459

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).

Faltung mit einem Sprung

y(t) = 4·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (4/1)·(1 − e−1t)

Auswerten

y(2) = 4·(1 − e−2) = 3,459

Antwort

y(2) = 3,459
16.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: c5 = 0,03242

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 = 1000 Hz → k = 5

Amplitude

c5 = 8·1/(π²·5²) = 0,03242

Antwort

c5 = 0,03242

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