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​16 °C20 °C

Eine Getränkedose mit 5 °C wird aus dem Kühlschrank in einen Raum mit 23 °C gebracht. Nach 16 min beträgt die Temperatur 16 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wie lange nach dem Start, t, dauert es, bis 20 °C erreicht sind?

T0 = 5 °CTa = 23 °CT(16) = 16 °CT = 20 °C
t = min
2.DifferentialgleichungenSchwer
tyy(0) = 10y(1) = ?

Löse y″ + 4y′ + 8y = 0 mit y(0) = 10 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(1); Winkel im Bogenmaß.

y″ + 4y′ + 8y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(1) =
3.Matrizen & DeterminantenMittel
A =−45−2−2−53453

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

A = [−4 5 −2; −2 −5 3; 4 5 3]
det A =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =3−15−3

Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.

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

Bestimme den Wert von k, für den die Vektoren a = (1, 2, 4) und b = (6, 6, k) senkrecht aufeinander stehen.

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

Der Einheitsvektor n̂ steht senkrecht auf a = (−4, 2, 3) und b = (−4, −5, 0) und hat eine positive z-Komponente. Bestimme seine x-Komponente n̂x.

a = (−4, 2, 3)b = (−4, −5, 0)n̂z > 0
n̂x =
7.IntegraleMittel
xy01

Berechne I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
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
xy21∇fP

Bestimme für f(x, y) = −2x²y + 3x² − 3y³ − xy die maximale Änderungsrate von f im Punkt (2, 1), also |∇f|.

f(x, y) = −2x²y + 3x² − 3y³ − xyP = (2, 1)
|∇f| =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xyx = 0,8y = x0,8

Das Integral I = ∫00,8 ∫y0,8 1/(1 + x²)² dx dy lässt sich in dieser Reihenfolge nicht berechnen. Vertausche die Integrationsreihenfolge und berechne es.

f = 1/(1 + x²)²0 ≤ y ≤ x ≤ 0,8
I =
11.Folgen & ReihenMittel
AΣ 1/(3k + 2)k = 1 … ∞BΣ (k + 3)/k²k = 1 … ∞CΣ (5/3)ᵏk = 1 … ∞DΣ 1/(3ᵏ + k)k = 1 … ∞

Genau eine der vier Reihen konvergiert. Klicke sie an.

A: Σ 1/(3k + 2)B: Σ (k + 3)/k²C: Σ (5/3)ᵏD: Σ 1/(3ᵏ + k)
  1. 1A: Σ 1/(3k + 2)
  2. 2B: Σ (k + 3)/k²
  3. 3C: Σ (5/3)ᵏ
  4. 4D: Σ 1/(3ᵏ + k)
12.Folgen & ReihenSchwer

f(x) = ln(1 + x) wird durch ihr Maclaurin-Polynom vom Grad 5 bei x = 0,2 angenähert. Verwende die Lagrangesche Fehlerschranke M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! mit M = 5! = 120, um den größtmöglichen Fehler |R₅| zu bestimmen.

f(x) = ln(1 + x)n = 5x = 0,2M = 120
|R₅| =
13.Laplace-TransformationenMittel
ReIm−1−2−3−4−51

F(s) = (6s + 10)/(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) = (6s + 10)/(s² + 7s + 10)
A =
14.Laplace-TransformationenSchwer
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Löse y″ + 10y′ + 24y = 0 mit y(0) = 8 und y′(0) = −12 mit der Laplace-Transformation und bestimme y(0,2).

y″ + 10y′ + 24y = 0y(0) = 8y′(0) = −12t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
x(t)t12h(t)t25

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

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 2 st = 2,5 s
y(2.5) =
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
δ(t)y′ + 0,5y = 10xh(t)

Ein System gehorcht y′(t) + 0,5·y(t) = 10·x(t). Bestimme seine Impulsantwort bei t = 4 s, h(4).

y′ + 0,5y = 10xt = 4 s
h(4) =

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: t = 30,35 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(-18/-7)/16 = 0,05903 min⁻¹

Zeit bis zum Zielwert

t = ln(-18/(−3))/0,05903 = 30,35 min

Antwort

t = 30,35 min
2.Differentialgleichungen

Antwort: y(1) = 0,6674

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 = −2 ± 2j

Konstanten

A = 10, B = 2·10/2 = 10

Auswerten

y(1) = e−2(10·cos 2 + 10·sin 2) = 0,6674

Antwort

y(1) = 0,6674
3.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = 190

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 = −30, M₁₂ = −18, M₁₃ = 10

Laplace-Entwicklung

det A = (−4)·(−30) − 5·(−18) + (−2)·10 = 190

Antwort

det A = 190
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 − (0)λ + (−4) = 0

Lösen

λ = (0 ± √(16))/2 → λ = −2, 2
λ = 2

Antwort

λ = 2
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: k = −4,5

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 gleich null

a·b = 1·6 + 2·6 + 4·k = 0
18 + 4·k = 0

Nach k auflösen

k = −18/4 = −4,5

Antwort

k = −4,5
6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: n̂x = 0,4418

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 = 2·0 − 3·(−5) = 15
(a × b)y = azbx − axbz = 3·(−4) − (−4)·0 = −12
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·(−5) − 2·(−4) = 28

Normieren

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

|a × b| = √(15² + (−12)² + 28²) = 33,96
n̂ = (15, −12, 28)/33,96 = (0,4418, −0,3534, 0,8246)
n̂x = 0,4418

Antwort

n̂x = 0,4418
7.Integrale

Antwort: I = 3,75

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 u3 du

Integrieren und auswerten

I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3,75

Antwort

I = 3,75
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| = 19,24

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 = −4xy + 6x − y → fx(2, 1) = 3
fy = −2x² − 9y² − x → fy(2, 1) = −19

Länge des Gradienten

|∇f| = √(3² + (−19)²) = 19,24

Antwort

|∇f| = 19,24
10.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: I = 0,1951

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).

Bereich

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 0,8

Vertauschte Reihenfolge

I = ∫00,8 ∫0x 1/(1 + x²)² dy dx = ∫00,8 x·1/(1 + x²)² dx

Substitution u = x²

I = [−1/(2(1 + x²))]00,8 = 0,1951

Antwort

I = 0,1951
11.Folgen & Reihen

Antwort: D: Σ 1/(3ᵏ + 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 1/(3k + 2) → Verhält sich für große k wie 1/(3k); im Vergleich mit der harmonischen Reihe divergiert sie.
B: Σ (k + 3)/k² → Verhält sich für große k wie 1/k: divergiert nach dem Vergleich mit der harmonischen Reihe.
C: Σ (5/3)ᵏ → Geometrisch mit r = 5/3 > 1: Die Glieder wachsen, sie divergiert also.
D: Σ 1/(3ᵏ + k) → Kleiner als (1/3)ᵏ, eine konvergente geometrische Reihe: konvergiert nach dem Vergleichskriterium.

Die Antwort

D: Σ 1/(3ᵏ + k)

Antwort

D: Σ 1/(3ᵏ + k)
12.Folgen & Reihen

Antwort: |R₅| = 1,067 × 10⁻⁵

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.

Schranke für die Ableitung

M = 5! = 120

Lagrangesche Schranke

|R₅| ≤ 120·0,2⁶/6! = 1,067 × 10⁻⁵

Antwort

|R₅| = 1,067 × 10⁻⁵

Der wahre Fehler ist kleiner: |f(0,2) − P₅(0,2)| = 9,11 × 10⁻⁶.

13.Laplace-Transformationen

Antwort: A = −0,6667

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 = (6s + 10)/(s + 5) |s = −2 = −2/3 = −0,6667

Antwort

A = −0,6667
(B = 6,667, also f(t) = −0,6667·e−2t + 6,667·e−5t)
14.Laplace-Transformationen

Antwort: y(0.2) = 5,076

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 − (−12) + 10(sY − 8) + 24Y = 0
Y(s) = (8s + 68)/((s + 4)(s + 6))

Partialbruchzerlegung

A = 36/2 = 18
B = 20/(−2) = −10

Ergebnis

y(t) = 18·e−4t − 10·e−6t
y(0,2) = 5,076

Antwort

y(0,2) = 5,076

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

15.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: y(2.5) = 5

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).

Überlappung des gespiegelten Impulses

h(t − τ) ist der Impuls von h, gespiegelt und so verschoben, dass er bei τ = t endet.

τ ∈ [0,5, 1] → Länge 0,5 s

Integral

y(2,5) = 2·5·0,5 = 5

Antwort

y(2,5) = 5

y(t) ist ein Trapez: Es steigt von 0, bleibt bei 10 und fällt bei t = 3 s wieder auf 0.

16.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: h(4) = 1,353

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)|.

Übertragungsfunktion

H(s) = Y(s)/X(s) = 10/(s + 0,5)

Impulsantwort

h(t) = 10·e−0,5tu(t)
h(4) = 10·e−2 = 1,353

Antwort

h(4) = 1,353

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