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)23Ta​20 °C

Eine Getränkedose mit 6 °C wird aus dem Kühlschrank in einen Raum mit 23 °C gebracht. Nach 23 min beträgt die Temperatur 20 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.

T0 = 6 °CTa = 23 °CT(23) = 20 °C
k = min⁻¹
2.DifferentialgleichungenSchwer
ty1y(1) = ?

Löse y′ + 0,5y = 9e−2t mit y(0) = 3. Bestimme y(1).

y′ + 0,5y = 9e−2ty(0) = 3
y(1) =
3.Matrizen & DeterminantenMittel
A =2−351−4−50−33

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

A = [2 −3 5; 1 −4 −5; 0 −3 3]
det A =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =3−56−5b =02

Löse das Gleichungssystem 3x − 5y = 0 und 6x − 5y = 2. Bestimme x.

3x − 5y = 06x − 5y = 2
x =
5.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme den Winkel θ zwischen den Vektoren a = (5, 1, 1) und b = (5, 3, −5) in Grad.

a = (5, 1, 1)b = (5, 3, −5)
θ = °
6.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzabc

Bestimme das Volumen V des Spats (Parallelepipeds), dessen Kanten von einer Ecke aus a = (2, 5, −5), b = (−1, −5, 1) und c = (3, 4, 2) sind.

a = (2, 5, −5)b = (−1, −5, 1)c = (3, 4, 2)
V =
7.IntegraleMittel
xy16y = x ln x

Berechne I = ∫₁6 x·ln x dx.

∫₁6 x ln x dx
I =
8.IntegraleSchwer
xy−11

Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 1 − x² und der x-Achse.

y = 1 − x²
A =
9.Analysis mehrerer VariablenMittel

z = −2x³y − 4x² − 2y³ − xy mit x = −t − 2 und y = t² + 1. Bestimme mit der Kettenregel dz/dt bei t = −1.

z = −2x³y − 4x² − 2y³ − xyx = −t − 2y = t² + 1t = −1
dz/dt =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xy−202−202(2, 0)(−2, 0)

f(x, y) = x³ − 12x + y² hat einen kritischen Punkt bei (2, 0). Berechne dort die Diskriminante D = fxxfyy − fxy².

f(x, y) = x³ − 12x + y²P = (2, 0)
D =
11.Folgen & ReihenMittel
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

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

ak = kᵏ/(5ᵏ·k!)
L =
12.Folgen & ReihenSchwer
xyfP₃1,5

Verwende das Maclaurin-Polynom vom Grad 3 von f(x) = eˣ, um f(1,5) anzunähern. Gib P₃(1,5) an.

f(x) = eˣn = 3x = 1,5
P₃(1.5) =
13.Laplace-TransformationenMittel
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−812

Bestimme f(t) für F(s) = (4s + 30)/(s² + 2s + 5) mit quadratischer Ergänzung und werte f(0,3) aus.

F(s) = (4s + 30)/(s² + 2s + 5)t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Laplace-TransformationenSchwer
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Ein System gehorcht y″ + 9y′ + 20y = 60·u(t), mit y(0) = 6 und y′(0) = 0. Bei t = 0 wird ein Sprung u(t) = 4 auf den Eingang gegeben. Bestimme mit der Laplace-Transformation y(0,25).

y″ + 9y′ + 20y = 60·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,25 s
y(0.25) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
x(t)t14h(t)t04

Das Signal x(t) ist nur zwischen t = 1 s und t = 4 s ungleich null, und h(t) nur zwischen t = 0 s und t = 4 s. Bestimme die Zeit tstart, zu der y(t) = x(t) ∗ h(t) beginnt.

x: 1 … 4 sh: 0 … 4 s
tstart = s
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
u[n]0,5+y[n]0,8·z⁻¹+

Ein System gehorcht y[n] = 0,8·y[n − 1] + 0,5·x[n] und startet in Ruhe. Die Eingangsgröße ist der Einheitssprung x[n] = u[n]. Bestimme y[4].

y[n] = 0,8y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = u[n]
y[4] =

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: k = 0,07542 min⁻¹

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.

Verhältnis der Temperaturdifferenzen

e−23k = -3/-17

Nach k auflösen

k = ln(-17/-3)/23 = 0,07542 min⁻¹

Antwort

k = 0,07542 min⁻¹
2.Differentialgleichungen

Antwort: y(1) = 4,647

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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 9e−1,5t

Allgemeine Lösung

y = 9/(−1,5)·e−2t + C·e−0,5t = −6·e−2t + C·e−0,5t

Anfangsbedingung

3 = −6 + C → C = 9

Auswerten

y(1) = −6·0,1353 + 9·0,6065 = 4,647

Antwort

y(1) = 4,647
3.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = −60

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 = −27, M₁₂ = 3, M₁₃ = −3

Laplace-Entwicklung

det A = 2·(−27) − (−3)·3 + 5·(−3) = −60

Antwort

det A = −60
4.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = 0,6667

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·(−5) − (−5)·6 = 15

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = 0·(−5) − (−5)·2 = 10
x = 10/15 = 0,6667

Antwort

x = 0,6667
y = 0,4
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: θ = 54,81 °

Skalarprodukt: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, ein Skalar. Es liefert den Winkel zwischen zwei Vektoren, cos θ = a·b/(|a|·|b|), und ist null, wenn sie senkrecht aufeinander stehen. Die skalare Projektion von a auf b ist a·b/|b|, und eine konstante Kraft F, deren Angriffspunkt sich um d verschiebt, verrichtet die Arbeit W = F·d.

Skalarprodukt

a·b = 5·5 + 1·3 + 1·(−5) = 23

Beträge

|a| = √(5² + 1² + 1²) = 5,196
|b| = √(5² + 3² + (−5)²) = 7,681

Winkel

cos θ = 23/(5,196·7,681) = 0,5763
θ = arccos(0,5763) = 54,81°

Antwort

θ = 54,81°
6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: V = 58

Kreuzprodukt: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) steht senkrecht auf beiden Vektoren, und |a × b| = |a|·|b|·sin θ ist die Fläche des von ihnen aufgespannten Parallelogramms (das Dreieck hat die Hälfte davon). Die Reihenfolge ist wichtig: b × a = −(a × b). Das Moment einer im Punkt A angreifenden Kraft F bezüglich des Punktes O ist MO = r × F mit r = A − O.

Kreuzprodukt b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−5)·2 − 1·4 = −14
(b × c)y = bzcx − bxcz = 1·3 − (−1)·2 = 5
(b × c)z = bxcy − bycx = (−1)·4 − (−5)·3 = 11

Skalarprodukt mit a

a·(b × c) = 2·(−14) + 5·5 + (−5)·11 = −58
V = |−58| = 58

Antwort

V = 58
7.Integrale

Antwort: I = 23,5

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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Stammfunktion

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Grenzwerte

(18·ln 6 − 9) − (0 − 0,25) = 23,5

Antwort

I = 23,5
8.Integrale

Antwort: A = 1,333

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

1 − x² = 0 → x = ±1

Integrieren

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Antwort

A = 1,333
9.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: dz/dt = 48

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.

Punkt und Änderungsraten

x(−1) = −1, y(−1) = 2
dx/dt = −1, dy/dt = 2t = −2

Partielle Ableitungen

fx = −6x²y − 8x − y = −6
fy = −2x³ − 6y² − x = −21

Kettenregel

dz/dt = (−6)·(−1) + (−21)·(−2) = 48

Antwort

dz/dt = 48
10.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: D = 24

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 = 12, fyy = 2, fxy = 0

Diskriminante

D = 12·2 − 0² = 24
→ lokales Minimum

Antwort

D = 24
11.Folgen & Reihen

Antwort: L = 0,5437

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 + 1/k)ᵏ/5 → e/5

Schlussfolgerung

L = 0,5437 < 1

Antwort

L = 0,5437

L < 1, die Reihe konvergiert also.

12.Folgen & Reihen

Antwort: P₃(1.5) = 4,188

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

P₃(x) = 1 + x + 0,5x² + 0,1667x³

Einsetzen

P₃(1,5) = 1 + 1,5 + 1,125 + 0,5625 = 4,188

Antwort

P₃(1,5) = 4,188

Der exakte Wert ist f(1,5) = 4,481689; der Fehler 0,294189 wird kleiner, wenn du mehr Terme nimmst oder einen Punkt näher bei 0.

13.Laplace-Transformationen

Antwort: f(0.3) = 7,884

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 + 5 = (s + 1)² + 4 = (s + 1)² + 2²

Zähler anpassen

F(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (26/2)·2/((s + 1)² + 2²)

Rücktransformation

f(t) = e−t·(4·cos 2t + 13·sin 2t)
f(0,3) = e−0,3·(4·cos(2·0,3) + 13·sin(2·0,3)) = 7,884

Antwort

f(0,3) = 7,884
14.Laplace-Transformationen

Antwort: y(0.25) = 7,84

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 + 9s + 20)·Y(s) = 6s + 54 + 240/s
Y(s) = (6s² + 54s + 240)/(s(s + 4)(s + 5))

Partialbruchzerlegung

A = 240/(4·5) = 12
B = 120/((−4)·1) = −30
C = 120/((−5)·(−1)) = 24

Ergebnis

y(t) = 12 − 30·e−4t + 24·e−5t
y(0,25) = 7,84

Antwort

y(0,25) = 7,84

Kontrolle: y(0) = A + B + C = 6.

15.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: tstart = 1 s

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).

Beginn und Ende

tstart = 1 + 0 = 1 s
tend = 4 + 4 = 8 s

Antwort

tstart = 1 s

Antwort

tstart = 1 s
16.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: y[4] = 1,681

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

y[0] = 0,5
y[1] = 0,9
y[2] = 1,22
y[3] = 1,476
y[4] = 1,681

Ergebnis

y[4] = 0,5·(1 − (0,8)5)/(1 − 0,8) = 1,681

Antwort

y[4] = 1,681

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