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) = 1y(0,5) = ?

Löse y″ + 2y′ + y = 0 mit y(0) = 1 und y′(0) = 1. Bestimme y(0,5).

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 1y′(0) = 1
y(0.5) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
tyK = 2ymax​ = ?

Ein System gehorcht y″ + 3y′ + 6,25y = 12,5 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme den Spitzenwert ymax seiner Sprungantwort.

y″ + 3y′ + 6,25y = 12,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Matrizen & DeterminantenMittel
A =6−4−6−4B =0106

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

A = [6 −4; −6 −4]B = [0 1; 0 6]
c22 =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =−5−461b =−9−11

Löse das Gleichungssystem −5x − 4y = −9 und 6x + y = −11. Bestimme x.

−5x − 4y = −96x + y = −11
x =
5.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme den Wert von k, für den die Vektoren a = (5, −5, 3) und b = (k, −6, 3) senkrecht aufeinander stehen.

a = (5, −5, 3)b = (k, −6, 3)
k =
6.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzabc

Bestimme das Volumen V des Spats (Parallelepipeds), dessen Kanten von einer Ecke aus a = (0, 1, 3), b = (−2, −5, 5) und c = (0, −3, −5) sind.

a = (0, 1, 3)b = (−2, −5, 5)c = (0, −3, −5)
V =
7.IntegraleMittel
xy1y = x

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

y = x0 ≤ x ≤ 1
V =
8.IntegraleSchwer
xy4y = 4xy = x²

Das Gebiet zwischen der Geraden y = 4x und der Parabel y = x² wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers.

y = 4xy = x²
V =
9.Analysis mehrerer VariablenMittel
xy050246PQ

Bestimme für f(x, y) = −3x³y³ − 2x² − 2xy die Richtungsableitung Duf in P(1, 3) in Richtung auf Q(5, 0).

f(x, y) = −3x³y³ − 2x² − 2xyP = (1, 3)Q = (5, 0)
Duf =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xy0202AB

Die markierten Punkte sind die kritischen Punkte von f(x, y) = x³ + y³ − 6xy. Klicke das lokale Minimum an.

f(x, y) = x³ + y³ − 6xy
  1. 1A (2, 2)
  2. 2B (0, 0)
11.Folgen & ReihenMittel
AΣ (4/3)ᵏk = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞CΣ (k + 5)/k²k = 1 … ∞DΣ 3ᵏ/k²k = 1 … ∞

Genau eine der vier Reihen konvergiert. Klicke sie an.

A: Σ (4/3)ᵏB: Σ (−1)ᵏ/√kC: Σ (k + 5)/k²D: Σ 3ᵏ/k²
  1. 1A: Σ (4/3)ᵏ
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/√k
  3. 3C: Σ (k + 5)/k²
  4. 4D: Σ 3ᵏ/k²
12.Folgen & ReihenSchwer
xyfP₅2,5

Verwende das Maclaurin-Polynom vom Grad 5 von f(x) = sin x, um f(2,5) anzunähern. Gib P₅(2,5) an.

f(x) = sin xn = 5x = 2,5
P₅(2.5) =
13.Laplace-TransformationenMittel
ReIm−5−10−15−20−25

Bestimme f(t) für F(s) = (s + 23)/(s² + 2s + 10) mit quadratischer Ergänzung und werte f(0,8) aus.

F(s) = (s + 23)/(s² + 2s + 10)t = 0,8 s
f(0.8) =
14.Laplace-TransformationenSchwer
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Ein System gehorcht y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t), mit y(0) = 3 und y′(0) = 0. Bei t = 0 wird ein Sprung u(t) = 10 auf den Eingang gegeben. Bestimme mit der Laplace-Transformation y(0,3).

y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
x(t)t42h(t)t23

Der Impuls x(t) = 2 für 0 ≤ t < 4 s wird mit h(t) gefaltet, einem Dreieck, das linear von 3 bei t = 0 auf 0 bei t = 2 s fällt. Bestimme die Fläche Ay unter y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 2, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 3, h(2) = 0
Ay =
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
δ[n]3+h[n]0,4·z⁻¹+

Ein System gehorcht y[n] = 0,4·y[n − 1] + 3·x[n] und startet in Ruhe. Bestimme den Abtastwert h[3] seiner Impulsantwort.

y[n] = 0,4y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: y(0.5) = 1,213

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 + 1)² = 0 → r = −1

Konstanten

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

Auswerten

y(0,5) = (1 + 2·0,5)·e−0,5 = 1,213

Antwort

y(0,5) = 1,213
2.Differentialgleichungen

Antwort: ymax = 2,19

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

Spitzenwert

t = π/2 = 1,571
ymax = 2·(1 + e−1,5·π/2) = 2,19

Antwort

ymax = 2,19
3.Matrizen & Determinanten

Antwort: c22 = −30

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)·1 + (−4)·6 = −30

Antwort

c22 = −30
4.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = −2,789

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 = (−5)·1 − (−4)·6 = 19

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = (−9)·1 − (−4)·(−11) = −53
x = −53/19 = −2,789

Antwort

x = −2,789
y = 5,737
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: k = −7,8

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 = 5·k + (−5)·(−6) + 3·3 = 0
39 + 5·k = 0

Nach k auflösen

k = −39/5 = −7,8

Antwort

k = −7,8
6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: V = 8

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 = (−5)·(−5) − 5·(−3) = 40
(b × c)y = bzcx − bxcz = 5·0 − (−2)·(−5) = −10
(b × c)z = bxcy − bycx = (−2)·(−3) − (−5)·0 = 6

Skalarprodukt mit a

a·(b × c) = 0·40 + 1·(−10) + 3·6 = 8
V = |8| = 8

Antwort

V = 8
7.Integrale

Antwort: V = 1,047

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 1x² dx

Integrieren

V = π·1·1³/3 = 1,047

Antwort

V = 1,047

Kontrolle: Ein Kegel mit dem Radius 1 und der Höhe 1 hat (1/3)πr²h = 1,047.

8.Integrale

Antwort: V = 428,9

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.

Schnittpunkte

4x = 1x² → x = 0, x = 4

Ringmethode

V = π∫₀4 ((4x)² − (1x²)²) dx

Integrieren

V = π(16·4³/3 − 1·4⁵/5) = π·136,5 = 428,9

Antwort

V = 428,9
9.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: Duf = −152,6

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.

Gradient im Punkt

fx = −9x²y³ − 4x − 2y → fx(1, 3) = −253
fy = −9x³y² − 2x → fy(1, 3) = −83

Einheitsvektor

|v| = √(4² + (−3)²) = 5
u = (0,8, −0,6)

Skalarprodukt

Duf = (−253)·0,8 + (−83)·(−0,6) = −152,6

Antwort

Duf = −152,6
10.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: A (2, 2)

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 − 6y = 0
fy = 3y² − 6x = 0
(0, 0), (2, 2)

Test mit der zweiten Ableitung

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −6, D = −36 → Sattelpunkt
(2, 2): fxx = 12, fyy = 12, fxy = −6, D = 108 → lokales Minimum

Der Punkt

A (2, 2): lokales Minimum

Antwort

A (2, 2)
11.Folgen & Reihen

Antwort: B: Σ (−1)ᵏ/√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 (4/3)ᵏ → Geometrisch mit r = 4/3 > 1: Die Glieder wachsen, sie divergiert also.
B: Σ (−1)ᵏ/√k → Alternierend, mit gegen 0 fallendem 1/√k: konvergiert (bedingt).
C: Σ (k + 5)/k² → Verhält sich für große k wie 1/k: divergiert nach dem Vergleich mit der harmonischen Reihe.
D: Σ 3ᵏ/k² → Quotientenkriterium: L = 3 > 1, divergiert.

Die Antwort

B: Σ (−1)ᵏ/√k

Antwort

B: Σ (−1)ᵏ/√k
12.Folgen & Reihen

Antwort: P₅(2.5) = 0,7096

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.

Maclaurin-Polynom

P₅(x) = x − 0,1667x³ + 0,008333x⁵

Einsetzen

P₅(2,5) = 2,5 − 2,604167 + 0,813802 = 0,7096

Antwort

P₅(2,5) = 0,7096

Der exakte Wert ist f(2,5) = 0,598472; der Fehler −0,111163 wird kleiner, wenn du mehr Terme nimmst oder einen Punkt näher bei 0.

13.Laplace-Transformationen

Antwort: f(0.8) = 1,894

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 + 2s + 10 = (s + 1)² + 9 = (s + 1)² + 3²

Zähler anpassen

F(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (22/3)·3/((s + 1)² + 3²)

Rücktransformation

f(t) = e−t·(cos 3t + 7,333·sin 3t)
f(0,8) = e−0,8·(cos(3·0,8) + 7,333·sin(3·0,8)) = 1,894

Antwort

f(0,8) = 1,894
14.Laplace-Transformationen

Antwort: y(0.3) = 7,41

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 + 8s + 12)·Y(s) = 3s + 24 + 240/s
Y(s) = (3s² + 24s + 240)/(s(s + 2)(s + 6))

Partialbruchzerlegung

A = 240/(2·6) = 20
B = 204/((−2)·4) = −25,5
C = 204/((−6)·(−4)) = 8,5

Ergebnis

y(t) = 20 − 25,5·e−2t + 8,5·e−6t
y(0,3) = 7,41

Antwort

y(0,3) = 7,41

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

15.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: Ay = 24

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).

Flächen der Eingangssignale

∫x dt = 2·4 = 8
∫h dt = ½·2·3 = 3

Fläche der Ausgangsgröße

Ay = 8·3 = 24

Antwort

Ay = 24
16.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: h[3] = 0,192

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)|.

Iterieren

h[0] = 3
h[1] = 1,2
h[2] = 0,48
h[3] = 0,192

Ergebnis

h[3] = 3·(0,4)3 = 0,192

Antwort

h[3] = 0,192

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