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
t (min)T (°C)15Ta​21 °C23 °C

Eine Getränkedose mit 5 °C wird aus dem Kühlschrank in einen Raum mit 25 °C gebracht. Nach 15 min beträgt die Temperatur 21 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wie lange nach dem Start, t, dauert es, bis 23 °C erreicht sind?

T0 = 5 °CTa = 25 °CT(15) = 21 °CT = 23 °C
t = min
2.DifferentialgleichungenSchwer
xy13(1, −3)y(3) = ?

Löse das Anfangswertproblem y′ + y/x = 2x2 für x > 0 mit y(1) = −3. Bestimme y(3).

y′ + y/x = 2x2y(1) = −3
y(3) =
3.Matrizen & DeterminantenMittel
A =−100−5251−40

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

A = [−1 0 0; −5 2 5; 1 −4 0]
det A =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =3−6−31b =−2−11

Löse das Gleichungssystem 3x − 6y = −2 und −3x + y = −11. Bestimme x.

3x − 6y = −2−3x + y = −11
x =
5.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme den Winkel θ zwischen den Vektoren a = (−6, 2, −4) und b = (3, 6, 3) in Grad.

a = (−6, 2, −4)b = (3, 6, 3)
θ = °
6.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzrFOA

Eine Kraft F = (50, 50, −40) N wirkt im Punkt A(2, −3, 2). Die Koordinaten sind in Metern angegeben. Bestimme die x-Komponente Mx des Moments der Kraft bezüglich Punkt O(1, −2, −2).

F = (50, 50, −40) NA(2, −3, 2) mO(1, −2, −2) m
Mx = N·m
7.IntegraleMittel
xy1y = √(2x)

Das Gebiet unter y = √(2x) von x = 0 bis x = 1 wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers (ein Paraboloid).

y = √(2x)0 ≤ x ≤ 1
V =
8.IntegraleSchwer
xyy = 0,5x2​y = 4x

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 0,5x2 und y = 4x eingeschlossen wird.

y = 0,5x2y = 4x
A =
9.Analysis mehrerer VariablenMittel
xy33∇fP

Bestimme für f(x, y) = −x³y + x³ + 2y² + 2xy die Richtung des steilsten Anstiegs bei (3, 3) als Winkel θ zur positiven x-Achse, in Grad zwischen −180° und 180°.

f(x, y) = −x³y + x³ + 2y² + 2xyP = (3, 3)
θ = °
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xyx = 1y = x1

Das Integral I = ∫01 ∫y1 ex² dx dy lässt sich in dieser Reihenfolge nicht berechnen. Vertausche die Integrationsreihenfolge und berechne es.

f = ex²0 ≤ y ≤ x ≤ 1
I =
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

f(x) = eˣ wird bei x = 2 durch ihr Maclaurin-Polynom vom Grad n angenähert. Bestimme mit der Lagrangeschen Schranke M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! und M = 8 den kleinsten Grad n, der einen Fehler unter 1 × 10⁻⁵ garantiert.

f(x) = eˣx = 2M = 8ε = 1 × 10⁻⁵
n =
13.Laplace-TransformationenMittel
t (s)f(t)t = 0,6f(0,6) = ?

Bestimme f(t) für F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 4)) mit der Partialbruchzerlegung und werte f(0,6) aus.

F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 4))t = 0,6 s
f(0.6) =
14.Laplace-TransformationenSchwer
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Löse y″ + 4y′ + 3y = 0 mit y(0) = 7 und y′(0) = −3 mit der Laplace-Transformation und bestimme y(0,8).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 7y′(0) = −3t = 0,8 s
y(0.8) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
x(t)t5h(t)t1

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

x(t) = 5·e−1tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
5cos(20t)h(t) = 2e−10t​u(t)y(t)

Die Eingangsgröße x(t) = 5·cos(20t) wird auf ein System mit h(t) = 2·e−10tu(t) gegeben. Bestimme die Amplitude Ym der Ausgangsgröße im eingeschwungenen Zustand.

h(t) = 2e−10tu(t)x(t) = 5cos(20t)
Ym =

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: t = 21,46 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(-20/-4)/15 = 0,1073 min⁻¹

Zeit bis zum Zielwert

t = ln(-20/(−2))/0,1073 = 21,46 min

Antwort

t = 21,46 min
2.Differentialgleichungen

Antwort: y(3) = 12,33

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.

Integrierender Faktor

μ = e∫1/x dx = x1

Integrieren

(x1y)′ = 2x3 → x1y = 2x4/4 + C

Anfangsbedingung

−3 = 2/4 + C → C = −3,5

Auswerten

y(3) = (2·34/4 + (−3,5))/31 = 12,33

Antwort

y(3) = 12,33
3.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = −20

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 = 20, M₁₂ = −5, M₁₃ = 18

Laplace-Entwicklung

det A = (−1)·20 − 0·(−5) + 0·18 = −20

Antwort

det A = −20
4.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = 4,533

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.

Determinante der Koeffizientenmatrix

det A = 3·1 − (−6)·(−3) = −15

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = (−2)·1 − (−6)·(−11) = −68
x = −68/(−15) = 4,533

Antwort

x = 4,533
y = 2,6
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: θ = 109,1 °

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 = (−6)·3 + 2·6 + (−4)·3 = −18

Beträge

|a| = √((−6)² + 2² + (−4)²) = 7,483
|b| = √(3² + 6² + 3²) = 7,348

Winkel

cos θ = −18/(7,483·7,348) = −0,3273
θ = arccos(−0,3273) = 109,1°

Antwort

θ = 109,1°
6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: Mx = −160 N·m

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.

Ortsvektor von O nach A

r = A − O = (2, −3, 2) − (1, −2, −2) = (1, −1, 4) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−1)·(−40) − 4·50 = −160 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 4·50 − 1·(−40) = 240 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 1·50 − (−1)·50 = 100 N·m

Gesuchte Komponente

Mx = −160 N·m

Antwort

Mx = −160 N·m
7.Integrale

Antwort: V = 3,142

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∫₀1 2x dx

Integrieren

V = π·2·1²/2 = 3,142

Antwort

V = 3,142
8.Integrale

Antwort: A = 42,67

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.

Schnittpunkte

0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8

Obere minus untere integrieren

A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67

Antwort

A = 42,67
9.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: θ = −169,4 °

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 = −3x²y + 3x² + 2y → fx(3, 3) = −48
fy = −x³ + 4y + 2x → fy(3, 3) = −9

Richtung

θ = atan2(−9, −48) = −169,4°

Antwort

θ = −169,4°
10.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: I = 0,8591

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 ≤ 1

Vertauschte Reihenfolge

I = ∫01 ∫0x ex² dy dx = ∫01 x·ex² dx

Substitution u = x²

I = [ex²/2]01 = 0,8591

Antwort

I = 0,8591
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: n = 13

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)!Schranke2610,673245,33341202,13357200,7111650400,20327403200,0507983628800,01129936288000,00225710399168000,0004105114790016006,841 × 10⁻⁵1262270208001,052 × 10⁻⁵13871782912001,503 × 10⁻⁶

Schranken für wachsendes n

n = 12: 1,052 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 13: 1,503 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵

Kleinster Grad

n = 13

Antwort

n = 13
13.Laplace-Transformationen

Antwort: f(0.6) = 1,866

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 + 1) + C/(s + 4)
A = 25/(1·4) = 6,25
B = 25/((−1)·3) = −8,333
C = 25/((−4)·(−3)) = 2,083

Rücktransformation

f(t) = 6,25 − 8,333·e−t + 2,083·e−4t

Auswerten

f(0,6) = 6,25 − 8,333·e−0,6 + 2,083·e−4·0,6 = 1,866

Antwort

f(0,6) = 1,866
14.Laplace-Transformationen

Antwort: y(0.8) = 3,863

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 − 7s − (−3) + 4(sY − 7) + 3Y = 0
Y(s) = (7s + 25)/((s + 1)(s + 3))

Partialbruchzerlegung

A = 18/2 = 9
B = 4/(−2) = −2

Ergebnis

y(t) = 9·e−t − 2·e−3t
y(0,8) = 3,863

Antwort

y(0,8) = 3,863

Kontrolle: y(0) = A + B = 7.

15.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: y(1.5) = 0,8667

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

Auswerten

y(1,5) = 5·(0,04979 − 0,2231)/(−1) = 0,8667

Antwort

y(1,5) = 0,8667
16.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: Ym = 0,4472

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) = 2/(10 + jω)

Verstärkung bei der Eingangsfrequenz

|H(j20)| = 2/√(10² + 20²) = 0,08944
Ym = 5·0,08944 = 0,4472

Antwort

Ym = 0,4472

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