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)50Ta​59 °C195 °C

Ein geschmiedetes Stahlteil mit 400 °C kühlt in einer Werkstatt mit 28 °C ab. Nach 50 min beträgt die Temperatur 59 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wie lange nach dem Start, t, dauert es, bis 195 °C erreicht sind?

T0 = 400 °CTa = 28 °CT(50) = 59 °CT = 195 °C
t = min
2.DifferentialgleichungenSchwer
t (min)m (kg)t = ?30 kg

Ein Behälter enthält 400 L Wasser, in dem 5 kg Salz gelöst sind. Salzlösung mit 0,1 kg Salz pro Liter fließt mit 20 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Nach wie vielen Minuten t enthält der Behälter 30 kg Salz?

V = 400 Lm0 = 5 kgc = 0,1 kg/Lr = 20 L/min
t = min
3.Matrizen & DeterminantenMittel
A =−4−52−5422−54

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

A = [−4 −5 2; −5 4 2; 2 −5 4]
det A =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =326−3b =64

Löse das Gleichungssystem 3x + 2y = 6 und 6x − 3y = 4. Bestimme x.

3x + 2y = 66x − 3y = 4
x =
5.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme die skalare Projektion compb a von a = (−3, −4, −5) auf b = (−1, 6, 3), also die Komponente von a in Richtung von b.

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

Eine Kraft F = (40, 50, −50) N wirkt im Punkt A(−2, 3, −1). Die Koordinaten sind in Metern angegeben. Bestimme den Betrag |M| des Moments der Kraft bezüglich den Ursprung O(0, 0, 0).

F = (40, 50, −50) NA(−2, 3, −1) mO(0, 0, 0) m
|M| = N·m
7.IntegraleMittel
xy1y = x·cos x

Berechne I = ∫₀1 x·cos x dx (x im Bogenmaß).

∫₀1 x·cos x dx
I =
8.IntegraleSchwer
xy−33

Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 9 − x² und der x-Achse.

y = 9 − x²
A =
9.Analysis mehrerer VariablenMittel
xy−2−1∇fP

Bestimme für f(x, y) = 2x³y − 4x² + 3y³ + 3xy die maximale Änderungsrate von f im Punkt (−2, −1), also |∇f|.

f(x, y) = 2x³y − 4x² + 3y³ + 3xyP = (−2, −1)
|∇f| =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xy3

Berechne I = ∬R y dA mit Polarkoordinaten, wobei R die obere Hälfte der Kreisscheibe x² + y² ≤ 9 (y ≥ 0) ist.

f = y0 ≤ r ≤ 30 ≤ θ ≤ π
I =
11.Folgen & ReihenMittel
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Wende das Quotientenkriterium auf Σk=1∞ (k!)²·5ᵏ/(2k)! an. Bestimme L = lim |ak+1/ak|.

ak = (k!)²·5ᵏ/(2k)!
L =
12.Folgen & ReihenSchwer

f(x) = eˣ wird bei x = 1 durch ihr Maclaurin-Polynom vom Grad n angenähert. Bestimme mit der Lagrangeschen Schranke M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! und M = 3 den kleinsten Grad n, der einen Fehler unter 1 × 10⁻⁵ garantiert.

f(x) = eˣx = 1M = 3ε = 1 × 10⁻⁵
n =
13.Laplace-TransformationenMittel
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

Bestimme f(t) für F(s) = (s + 4)/(s² + 4s + 5) mit quadratischer Ergänzung und werte f(0,3) aus.

F(s) = (s + 4)/(s² + 4s + 5)t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Laplace-TransformationenSchwer
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Löse y″ + 11y′ + 30y = 0 mit y(0) = 9 und y′(0) = −5 mit der Laplace-Transformation und bestimme y(0,1).

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 9y′(0) = −5t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
x(t)t1h(t)t11

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

h(t) = e−1tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 2 s
y(2) =
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
2cos(4t)h(t) = 5e−2t​u(t)y(t)

Die Eingangsgröße x(t) = 2·cos(4t) wird auf ein System mit h(t) = 5·e−2tu(t) gegeben. Bestimme die Phase φ der Ausgangsgröße im eingeschwungenen Zustand relativ zur Eingangsgröße in Grad.

h(t) = 5e−2tu(t)x(t) = 2cos(4t)
φ = °

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: t = 16,12 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(372/31)/50 = 0,0497 min⁻¹

Zeit bis zum Zielwert

t = ln(372/167)/0,0497 = 16,12 min

Antwort

t = 16,12 min
2.Differentialgleichungen

Antwort: t = 25,06 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) = 40 + (−35)·e−t/20

Nach t auflösen

e−t/20 = (40 − 30)/(40 − 5) = 0,2857
t = 20·ln(3,5) = 25,06 min

Antwort

t = 25,06 min
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 = 26, M₁₂ = −24, M₁₃ = 17

Laplace-Entwicklung

det A = (−4)·26 − (−5)·(−24) + 2·17 = −190

Antwort

det A = −190
4.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = 1,238

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·(−3) − 2·6 = −21

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = 6·(−3) − 2·4 = −26
x = −26/(−21) = 1,238

Antwort

x = 1,238
y = 1,143
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: compb a = −5,308

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 = (−3)·(−1) + (−4)·6 + (−5)·3 = −36

Länge von b

|b| = √((−1)² + 6² + 3²) = 6,782

Skalare Projektion

compb a = a·b/|b| = −36/6,782 = −5,308

Antwort

compb a = −5,308

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

6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: |M| = 279,3 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, −1) − (0, 0, 0) = (−2, 3, −1) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 3·(−50) − (−1)·50 = −100 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−1)·40 − (−2)·(−50) = −140 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−2)·50 − 3·40 = −220 N·m

Betrag

|M| = √((−100)² + (−140)² + (−220)²) = 279,3 N·m

Antwort

|M| = 279,3 N·m
7.Integrale

Antwort: I = 0,3818

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

(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0,3818

Antwort

I = 0,3818
8.Integrale

Antwort: A = 36

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

9 − x² = 0 → x = ±3

Integrieren

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

Antwort

A = 36
9.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: |∇f| = 17,03

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 = 6x²y − 8x + 3y → fx(−2, −1) = −11
fy = 2x³ + 9y² + 3x → fy(−2, −1) = −13

Länge des Gradienten

|∇f| = √((−11)² + (−13)²) = 17,03

Antwort

|∇f| = 17,03
10.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: I = 18

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).

Polarform

I = ∫0π ∫03 r sin θ·r dr dθ

Integrieren

∫ r²dr·∫ sin θ dθ
I = 18

Antwort

I = 18
11.Folgen & Reihen

Antwort: L = 1,25

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| = 5·(k + 1)²/((2k + 2)(2k + 1)) → 5/4

Schlussfolgerung

L = 1,25 > 1

Antwort

L = 1,25

L > 1, die Reihe divergiert also.

12.Folgen & Reihen

Antwort: n = 8

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)!Schranke013121,5260,53240,12541200,02557200,004167650400,00059527403207,44 × 10⁻⁵83628808,267 × 10⁻⁶

Schranken für wachsendes n

n = 7: 7,44 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 8: 8,267 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵

Kleinster Grad

n = 8

Antwort

n = 8
13.Laplace-Transformationen

Antwort: f(0.3) = 0,8487

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).

Quadratische Ergänzung

s² + 4s + 5 = (s + 2)² + 1 = (s + 2)² + 1²

Zähler anpassen

F(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 1²) + (2/1)·1/((s + 2)² + 1²)

Rücktransformation

f(t) = e−2t·(cos 1t + 2·sin 1t)
f(0,3) = e−2·0,3·(cos(1·0,3) + 2·sin(1·0,3)) = 0,8487

Antwort

f(0,3) = 0,8487
14.Laplace-Transformationen

Antwort: y(0.1) = 7,768

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 − 9s − (−5) + 11(sY − 9) + 30Y = 0
Y(s) = (9s + 94)/((s + 5)(s + 6))

Partialbruchzerlegung

A = 49/1 = 49
B = 40/(−1) = −40

Ergebnis

y(t) = 49·e−5t − 40·e−6t
y(0,1) = 7,768

Antwort

y(0,1) = 7,768

Kontrolle: y(0) = A + B = 9.

15.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: y(2) = 0,8647

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) = 1·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (1/1)·(1 − e−1t)

Auswerten

y(2) = 1·(1 − e−2) = 0,8647

Antwort

y(2) = 0,8647
16.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: φ = −63,43 °

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/(2 + jω)

Phase bei der Eingangsfrequenz

φ = −atan(4/2) = −63,43°

Antwort

φ = −63,43°

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