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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
Schreibe jeden Vektor in Komponenten; bei einer Kraft, die mit Betrag und Winkel gegeben ist, verwende F·cos θ und F·sin θ.
Für Längen und Richtungen verwende den Betrag √(x² + y² + z²) und den Einheitsvektor a/|a|.
Verwende das Skalarprodukt für Winkel, Projektionen, Orthogonalität und Arbeit: a·b = |a||b|cos θ.
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
Schreibe den Integranden, wenn möglich, als Summe einfacher Terme.
Wende die Potenzregel an: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), und die Grundintegrale für ex, 1/x, sin und cos.
Verwende Substitution, wenn du eine Funktion zusammen mit ihrer Ableitung siehst.
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
Behandle bei einer partiellen Ableitung die andere Variable als Konstante und verwende die Regeln für eine Variable.
Berechne bei Gradientenaufgaben ∇f = (fx, fy) im Punkt; verwende |∇f| für die steilste Steigung und ∇f·u mit einem Einheitsvektor u für eine Richtungsableitung.
Löse für Extrema fx = 0 und fy = 0 gemeinsam und klassifiziere dann jeden Punkt mit D = fxx·fyy − fxy².
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
Erkenne den Typ: arithmetisch (konstante Differenz), geometrisch (konstanter Quotient), eine Standardreihe, eine Potenzreihe oder ein Taylor-Polynom.
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.
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.
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.
Skizziere beide Signale und markiere, wo jedes ungleich null ist.
Spiegle h und schiebe es: Bestimme für jeden Ausgangszeitpunkt den Bereich, in dem sich beide Signale überlappen.
Multipliziere und addiere (diskret) oder multipliziere und integriere (kontinuierlich) nur über diese Überlappung.
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
Löse y″ + 4y′ + 4y = 0 mit y(0) = 1 und y′(0) = 1. Bestimme y(0,5).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 1y′(0) = 1
y(0.5) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Löse das Anfangswertproblem y′ + 2y/x = 2 für x > 0 mit y(1) = 2. Bestimme y(3).
y′ + 2y/x = 2y(1) = 2
y(3) =
3.Matrizen & DeterminantenMittel
Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c12 (Zeile 1, Spalte 2).
A = [6 5; −1 4]B = [−4 3; 3 −3]
c12 =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.
A = [4 3; −6 −5]
λ =
5.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
Bestimme den Wert von k, für den die Vektoren a = (2, 4, 3) und b = (−5, 2, k) senkrecht aufeinander stehen.
a = (2, 4, 3)b = (−5, 2, k)
k =
6.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
Bestimme das Volumen V des Spats (Parallelepipeds), dessen Kanten von einer Ecke aus a = (2, −3, 5), b = (4, 3, −5) und c = (0, −4, −3) sind.
a = (2, −3, 5)b = (4, 3, −5)c = (0, −4, −3)
V =
7.IntegraleMittel
Berechne I = ∫12 3/x dx.
f(x) = 3/x[1, 2]
I =
8.IntegraleSchwer
Berechne I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.
∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
9.Analysis mehrerer VariablenMittel
Die Tangentialebene an z = 2x²y + 2x³ − 3y² + xy im Punkt (x, y) = (3, 3) lässt sich als z = px + qy + c schreiben. Bestimme c.
f(x, y) = 2x²y + 2x³ − 3y² + xy(a, b) = (3, 3)
c =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
f(x, y) = −x³ + 12x − y² + 6y hat einen kritischen Punkt bei (2, 3). Berechne dort die Diskriminante D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = −x³ + 12x − y² + 6yP = (2, 3)
D =
11.Folgen & ReihenMittel
Bestimme den Konvergenzradius R der Potenzreihe Σk=1∞ (1/2)ᵏ·xᵏ/(k + 1).
Σ (1/2)ᵏ·xᵏ/(k + 1)x₀ = 0
R =
12.Folgen & ReihenSchwer
f(x) = eˣ wird durch ihr Maclaurin-Polynom vom Grad 5 bei x = 0,8 angenähert. Verwende die Lagrangesche Fehlerschranke M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! mit M = e0,8 = 2,226, um den größtmöglichen Fehler |R₅| zu bestimmen.
f(x) = eˣn = 5x = 0,8M = 2,226
|R₅| =
13.Laplace-TransformationenMittel
Bestimme f(t) für F(s) = (2s + 25)/(s² + 4s + 4) und werte f(0,4) aus.
F(s) = (2s + 25)/(s² + 4s + 4)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Laplace-TransformationenSchwer
Löse y″ + 7y′ + 6y = 0 mit y(0) = 7 und y′(0) = 7 mit der Laplace-Transformation und bestimme y(0,3).
y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = 7y′(0) = 7t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
Der Impuls x(t) = 1 für 0 ≤ t < 2 s (sonst null) wird auf ein System mit der Impulsantwort h(t) = 2 für 0 ≤ t < 3 s (sonst null) gegeben. Bestimme die Ausgangsgröße y(3) bei t = 3 s.
x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 3 st = 3 s
y(3) =
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
Ein System gehorcht y′(t) + 1·y(t) = 2·x(t). Bestimme seine Impulsantwort bei t = 0,5 s, h(0,5).
y′ + 1y = 2xt = 0,5 s
h(0.5) =
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.5) = 0,9197
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 + 2)² = 0 → r = −2
Konstanten
A = y(0) = 1
y′(0) = B − 2A → B = 1 + 2 = 3
Auswerten
y(0,5) = (1 + 3·0,5)·e−1 = 0,9197
Antwort
y(0,5) = 0,9197
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(3) = 2,148
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∫2/x dx = x2
Integrieren
(x2y)′ = 2x2 → x2y = 2x3/3 + C
Anfangsbedingung
2 = 2/3 + C → C = 1,333
Auswerten
y(3) = (2·33/3 + 1,333)/32 = 2,148
Antwort
y(3) = 2,148
3.Matrizen & Determinanten
Antwort: c12 = 3
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
c12 = 6·3 + 5·(−3) = 3
Antwort
c12 = 3
4.Matrizen & Determinanten
Antwort: λ = 1
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.
Charakteristische Gleichung
λ² − (−1)λ + (−2) = 0
Lösen
λ = (−1 ± √(9))/2 → λ = −2, 1
λ = 1
Antwort
λ = 1
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: k = 0,6667
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 = 2·(−5) + 4·2 + 3·k = 0
−2 + 3·k = 0
Nach k auflösen
k = −(−2)/3 = 0,6667
Antwort
k = 0,6667
6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: V = 174
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 = 3·(−3) − (−5)·(−4) = −29
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−5)·0 − 4·(−3) = 12
(b × c)z = bxcy − bycx = 4·(−4) − 3·0 = −16
Skalarprodukt mit a
a·(b × c) = 2·(−29) + (−3)·12 + 5·(−16) = −174
V = |−174| = 174
Antwort
V = 174
7.Integrale
Antwort: I = 2,079
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.
Stammfunktion
F(x) = 3·ln x
An den Grenzen auswerten
I = 3·(ln 2 − ln 1) = 3·ln 2 = 2,079
Antwort
I = 2,079
8.Integrale
Antwort: I = 37,59
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.
Erste Runde
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Zweite Runde
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Grenzwerte
12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59
Antwort
I = 37,59
9.Analysis mehrerer Variablen
Antwort: c = −198
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.
Wert und Steigungen im Punkt
f(3, 3) = 90
fx = 4xy + 6x² + y → fx(3, 3) = 93
fy = 2x² − 6y + x → fy(3, 3) = 3
Tangentialebene
z = 90 + 93(x − 3) + 3(y − 3)
z = 93x + 3y − 198
Konstanter Term
c = −198
Antwort
c = −198
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 Maximum
Antwort
D = 24
11.Folgen & Reihen
Antwort: R = 2
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.
Koeffizienten
ck/ck+1 = (1/(1/2))·(k + 2)/(k + 1) → 2
Radius
R = 2
Antwort
R = 2
Das Quotientenkriterium sagt an den beiden Randpunkten nichts aus; sie müssen getrennt geprüft werden.
12.Folgen & Reihen
Antwort: |R₅| = 0,0008103
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 = e0,8 = 2,226
Lagrangesche Schranke
|R₅| ≤ 2,226·0,8⁶/6! = 0,0008103
Antwort
|R₅| = 0,0008103
Der wahre Fehler ist kleiner: |f(0,8) − P₅(0,8)| = 0,0004103.
13.Laplace-Transformationen
Antwort: f(0.4) = 4,673
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).
Nenner in Faktoren zerlegen
s² + 4s + 4 = (s + 2)²
Partialbruchzerlegung
2s + 25 = 2(s + 2) + 21
F(s) = 2/(s + 2) + 21/(s + 2)²
Rücktransformation
f(t) = 2·e−2t + 21·t·e−2t
f(0,4) = (2 + 21·0,4)·e−2·0,4 = 4,673
Antwort
f(0,4) = 4,673
14.Laplace-Transformationen
Antwort: y(0.3) = 6,797
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 − 7 + 7(sY − 7) + 6Y = 0
Y(s) = (7s + 56)/((s + 1)(s + 6))
Partialbruchzerlegung
A = 49/5 = 9,8
B = 14/(−5) = −2,8
Ergebnis
y(t) = 9,8·e−t − 2,8·e−6t
y(0,3) = 6,797
Antwort
y(0,3) = 6,797
Kontrolle: y(0) = A + B = 7.
15.Faltung und LTI-Systeme
Antwort: y(3) = 4
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).
Überlappung des gespiegelten Impulses
h(t − τ) ist der Impuls von h, gespiegelt und so verschoben, dass er bei τ = t endet.
τ ∈ [0, 2] → Länge 2 s
Integral
y(3) = 1·2·2 = 4
Antwort
y(3) = 4
y(t) ist ein Trapez: Es steigt von 0, bleibt bei 4 und fällt bei t = 5 s wieder auf 0.
16.Faltung und LTI-Systeme
Antwort: h(0.5) = 1,213
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)|.