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)56Ta​229 °C108 °C

Ein geschmiedetes Stahlteil mit 380 °C kühlt in einer Werkstatt mit 27 °C ab. Nach 56 min beträgt die Temperatur 229 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wie lange nach dem Start, t, dauert es, bis 108 °C erreicht sind?

T0 = 380 °CTa = 27 °CT(56) = 229 °CT = 108 °C
t = min
2.DifferentialgleichungenSchwer
tyy(0) = 5y(0,25) = ?

Löse y″ + 2y′ + 5y = 0 mit y(0) = 5 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(0,25); Winkel im Bogenmaß.

y″ + 2y′ + 5y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.25) =
3.Matrizen & DeterminantenMittel
A =5−25−14−2222

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

A = [5 −2 5; −1 4 −2; 2 2 2]
det A =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =235−1b =−98

Löse das Gleichungssystem 2x + 3y = −9 und 5x − y = 8. Bestimme x.

2x + 3y = −95x − y = 8
x =
5.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme den Winkel θ zwischen den Vektoren a = (4, −3, 3) und b = (−4, 1, −4) in Grad.

a = (4, −3, 3)b = (−4, 1, −4)
θ = °
6.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzab

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

a = (2, 0, 4)b = (−4, −3, 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
xyy = 0,5x2​y = 3x

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 0,5x2 und y = 3x eingeschlossen wird.

y = 0,5x2y = 3x
A =
9.Analysis mehrerer VariablenMittel

z = −2xy − 3x³ + 3y² mit x = t − 1 und y = 2t². Bestimme mit der Kettenregel dz/dt bei t = 0.

z = −2xy − 3x³ + 3y²x = t − 1y = 2t²t = 0
dz/dt =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xyy = 0,8y = x0,80,8

Das Integral I = ∫00,8 ∫x0,8 ey² dy dx lässt sich in dieser Reihenfolge nicht berechnen. Vertausche die Integrationsreihenfolge und berechne es.

f = ey²0 ≤ x ≤ y ≤ 0,8
I =
11.Folgen & ReihenMittel
AΣ 1/(k(k + 4))k = 1 … ∞BΣ (3/4)ᵏk = 1 … ∞CΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞DΣ 2/k⁴k = 1 … ∞

Genau eine der vier Reihen divergiert. Klicke sie an.

A: Σ 1/(k(k + 4))B: Σ (3/4)ᵏC: Σ (5/4)ᵏD: Σ 2/k⁴
  1. 1A: Σ 1/(k(k + 4))
  2. 2B: Σ (3/4)ᵏ
  3. 3C: Σ (5/4)ᵏ
  4. 4D: Σ 2/k⁴
12.Folgen & ReihenSchwer

f(x) = eˣ wird durch ihr Maclaurin-Polynom vom Grad 2 bei x = 0,5 angenähert. Verwende die Lagrangesche Fehlerschranke M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! mit M = e0,5 = 1,649, um den größtmöglichen Fehler |R₂| zu bestimmen.

f(x) = eˣn = 2x = 0,5M = 1,649
|R₂| =
13.Laplace-TransformationenMittel
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Bestimme f(t) für F(s) = 35/(s(s + 4)(s + 5)) mit der Partialbruchzerlegung und werte f(0,1) aus.

F(s) = 35/(s(s + 4)(s + 5))t = 0,1 s
f(0.1) =
14.Laplace-TransformationenSchwer
ReIm−0,5−1−1,5−20,51

Ein System wird durch die Differentialgleichung y″ + 4y′ + 5y = 4u beschrieben, mit Eingang u(t) und Ausgang y(t). Bestimme seine Übertragungsfunktion G(s) = Y(s)/U(s) (Anfangsbedingungen null) und werte die Impulsantwort g(t) bei t = 0,25 s aus. Bestimme g(0,25).

y″ + 4y′ + 5y = 4ut = 0,25 s
g(0.25) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
x(t)t410h(t)t43

Der Impuls x(t) = 10 für 0 ≤ t < 4 s wird mit h(t) gefaltet, einem Dreieck, das linear von 3 bei t = 0 auf 0 bei t = 4 s fällt. Bestimme die Fläche Ay unter y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 10, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 3, h(4) = 0
Ay =
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
x(t)t (ms)510203−3

Eine Dreieckschwingung steigt und fällt linear zwischen −3 und +3 mit der Periodendauer T = 10 ms. Bestimme die Amplitude c3 ihrer Fourier-Komponente bei 300 Hz.

±3T = 10 msf = 300 Hz
c3 =

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: t = 147,7 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(353/202)/56 = 0,009968 min⁻¹

Zeit bis zum Zielwert

t = ln(353/81)/0,009968 = 147,7 min

Antwort

t = 147,7 min
2.Differentialgleichungen

Antwort: y(0.25) = 4,351

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 = −1 ± 2j

Konstanten

A = 5, B = 1·5/2 = 2,5

Auswerten

y(0,25) = e−0,25(5·cos 0,5 + 2,5·sin 0,5) = 4,351

Antwort

y(0,25) = 4,351
3.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = 14

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 = 12, M₁₂ = 2, M₁₃ = −10

Laplace-Entwicklung

det A = 5·12 − (−2)·2 + 5·(−10) = 14

Antwort

det A = 14
4.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = 0,8824

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 = 2·(−1) − 3·5 = −17

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = (−9)·(−1) − 3·8 = −15
x = −15/(−17) = 0,8824

Antwort

x = 0,8824
y = −3,588
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: θ = 157,7 °

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 = 4·(−4) + (−3)·1 + 3·(−4) = −31

Beträge

|a| = √(4² + (−3)² + 3²) = 5,831
|b| = √((−4)² + 1² + (−4)²) = 5,745

Winkel

cos θ = −31/(5,831·5,745) = −0,9255
θ = arccos(−0,9255) = 157,7°

Antwort

θ = 157,7°
6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: n̂x = −0,5747

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 = 0·0 − 4·(−3) = 12
(a × b)y = azbx − axbz = 4·(−4) − 2·0 = −16
(a × b)z = axby − aybx = 2·(−3) − 0·(−4) = −6

Normieren

Die z-Komponente von a × b ist negativ, verwende also −(a × b).

|a × b| = √(12² + (−16)² + (−6)²) = 20,88
n̂ = −(12, −16, −6)/20,88 = (−0,5747, 0,7663, 0,2873)
n̂x = −0,5747

Antwort

n̂x = −0,5747
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 = 18

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 = 3x → x = 0, x = 6

Obere minus untere integrieren

A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18

Antwort

A = 18
9.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: dz/dt = −9

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(0) = −1, y(0) = 0
dx/dt = 1, dy/dt = 4t = 0

Partielle Ableitungen

fx = −2y − 9x² = −9
fy = −2x + 6y = 2

Kettenregel

dz/dt = (−9)·1 + 2·0 = −9

Antwort

dz/dt = −9
10.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: I = 0,4482

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 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 0,8

Vertauschte Reihenfolge

I = ∫00,8 ∫0y ey² dx dy = ∫00,8 y·ey² dy

Substitution u = y²

I = [ey²/2]00,8 = 0,4482

Antwort

I = 0,4482
11.Folgen & Reihen

Antwort: C: Σ (5/4)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/(k(k + 4)) → Kleiner als 1/k²: konvergiert nach dem Vergleichskriterium.
B: Σ (3/4)ᵏ → Geometrisch mit r = 3/4, |r| < 1: konvergiert.
C: Σ (5/4)ᵏ → Geometrisch mit r = 5/4 > 1: Die Glieder wachsen, sie divergiert also.
D: Σ 2/k⁴ → p-Reihe mit p = 4 > 1: konvergiert.

Die Antwort

C: Σ (5/4)ᵏ

Antwort

C: Σ (5/4)ᵏ
12.Folgen & Reihen

Antwort: |R₂| = 0,03435

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 = e0,5 = 1,649

Lagrangesche Schranke

|R₂| ≤ 1,649·0,5³/3! = 0,03435

Antwort

|R₂| = 0,03435

Der wahre Fehler ist kleiner: |f(0,5) − P₂(0,5)| = 0,02372.

13.Laplace-Transformationen

Antwort: f(0.1) = 0,1304

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 + 4) + C/(s + 5)
A = 35/(4·5) = 1,75
B = 35/((−4)·1) = −8,75
C = 35/((−5)·(−1)) = 7

Rücktransformation

f(t) = 1,75 − 8,75·e−4t + 7·e−5t

Auswerten

f(0,1) = 1,75 − 8,75·e−4·0,1 + 7·e−5·0,1 = 0,1304

Antwort

f(0,1) = 0,1304
14.Laplace-Transformationen

Antwort: g(0.25) = 0,6002

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).

Übertragungsfunktion

G(s) = Y(s)/U(s) = 4/(s² + 4s + 5)

Partialbruchzerlegung

s² + 4s + 5 = (s + 2)² + 1²
G(s) = (4/1)·1/((s + 2)² + 1²)

Impulsantwort

g(t) = e−2t·(4·sin 1t)
g(0,25) = 0,6002

Antwort

g(0,25) = 0,6002
15.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: Ay = 240

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 = 10·4 = 40
∫h dt = ½·4·3 = 6

Fläche der Ausgangsgröße

Ay = 40·6 = 240

Antwort

Ay = 240
16.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: c3 = 0,2702

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)|.

Ordnung der Oberschwingung

f₀ = 1/T = 100 Hz → k = 3

Amplitude

c3 = 8·3/(π²·3²) = 0,2702

Antwort

c3 = 0,2702

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