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)24Ta​186 °C108 °C

Ein geschmiedetes Stahlteil mit 440 °C kühlt in einer Werkstatt mit 29 °C ab. Nach 24 min beträgt die Temperatur 186 °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 = 440 °CTa = 29 °CT(24) = 186 °CT = 108 °C
t = min
2.DifferentialgleichungenSchwer
t (min)m (kg)t = ?3 kg

Ein Behälter enthält 200 L reines Wasser. Salzlösung mit 0,05 kg Salz pro Liter fließt mit 10 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Nach wie vielen Minuten t enthält der Behälter 3 kg Salz?

V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,05 kg/Lr = 10 L/min
t = min
3.Matrizen & DeterminantenMittel
A =−23−11−3−3−2−1−1

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

A = [−2 3 −1; 1 −3 −3; −2 −1 −1]
det A =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =56−6−8

Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.

A = [5 6; −6 −8]
λ =
5.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme den Wert von k, für den die Vektoren a = (5, 2, −2) und b = (−3, 2, k) senkrecht aufeinander stehen.

a = (5, 2, −2)b = (−3, 2, k)
k =
6.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzabc

Bestimme das Volumen V des Spats (Parallelepipeds), dessen Kanten von einer Ecke aus a = (1, 3, 1), b = (4, −3, −2) und c = (3, −3, 0) sind.

a = (1, 3, 1)b = (4, −3, −2)c = (3, −3, 0)
V =
7.IntegraleMittel
xy13

Berechne I = ∫13 3/x dx.

f(x) = 3/x[1, 3]
I =
8.IntegraleSchwer
xy0,5y = x²eˣ

Berechne I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.

∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
9.Analysis mehrerer VariablenMittel
xy−4−202024PQ

Bestimme für f(x, y) = 2 sin(x + 2y) die Richtungsableitung Duf in P(−1, 2) in Richtung auf Q(−5, 5).

f(x, y) = 2 sin(x + 2y)P = (−1, 2)Q = (−5, 5)
Duf =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xy−202−1012AB

Die markierten Punkte sind die kritischen Punkte von f(x, y) = −x³ + 3x − y² + 2y. Klicke das lokale Maximum an.

f(x, y) = −x³ + 3x − y² + 2y
  1. 1A (−1, 1)
  2. 2B (1, 1)
11.Folgen & ReihenMittel
xx₀ = 2??R

Die Potenzreihe Σk=1∞ (2k)!·(x − 2)ᵏ/(k!)² konvergiert auf einem Intervall um x₀ = 2. Bestimme das rechte Ende x dieses Intervalls.

Σ (2k)!·(x − 2)ᵏ/(k!)²x₀ = 2
x =
12.Folgen & ReihenSchwer
xyfP₂−0,4

Verwende das Maclaurin-Polynom vom Grad 2 von f(x) = ln(1 + x), um f(−0,4) anzunähern. Gib P₂(−0,4) an.

f(x) = ln(1 + x)n = 2x = −0,4
P₂(−0.4) =
13.Laplace-TransformationenMittel
ReIm−5−10−15−20

F(s) = (2s + 39)/(s² + 8s + 7). Ihre Rücktransformierte hat die Form f(t) = A·e−t + B·e−7t. Bestimme den Koeffizienten A mit der Partialbruchzerlegung.

F(s) = (2s + 39)/(s² + 8s + 7)
A =
14.Laplace-TransformationenSchwer
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,50,51

Ein System wird durch die Differentialgleichung y″ + 3y′ + 2y = 2u′ + 5u 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 = 0,4 s aus. Bestimme g(0,4).

y″ + 3y′ + 2y = 2u′ + 5ut = 0,4 s
g(0.4) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
x(t)t5h(t)t0,251

Ein System hat die Impulsantwort h(t) = e−4tu(t). Die Eingangsgröße ist ein Sprung x(t) = 5·u(t). Bestimme die Ausgangsgröße y(0,125) bei t = 0,125 s.

h(t) = e−4tu(t)x(t) = 5·u(t)t = 0,125 s
y(0.125) =
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
x(t)t (ms)0,5124−4

Eine Rechteckschwingung wechselt zwischen +4 und −4 mit der Periodendauer T = 1 ms (je eine halbe Periode auf jedem Pegel). Bestimme die Amplitude c3 ihrer Fourier-Komponente bei 3000 Hz.

±4T = 1 msf = 3000 Hz
c3 =

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: t = 41,13 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(411/157)/24 = 0,0401 min⁻¹

Zeit bis zum Zielwert

t = ln(411/79)/0,0401 = 41,13 min

Antwort

t = 41,13 min
2.Differentialgleichungen

Antwort: t = 7,133 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) = 10 + (−10)·e−t/20

Nach t auflösen

e−t/20 = (10 − 3)/(10 − 0) = 0,7
t = 20·ln(1,429) = 7,133 min

Antwort

t = 7,133 min
3.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = 28

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 = 0, M₁₂ = −7, M₁₃ = −7

Laplace-Entwicklung

det A = (−2)·0 − 3·(−7) + (−1)·(−7) = 28

Antwort

det A = 28
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 − (−3)λ + (−4) = 0

Lösen

λ = (−3 ± √(25))/2 → λ = −4, 1
λ = 1

Antwort

λ = 1
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: k = −5,5

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·(−3) + 2·2 + (−2)·k = 0
−11 + (−2)·k = 0

Nach k auflösen

k = −(−11)/(−2) = −5,5

Antwort

k = −5,5
6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: V = 27

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)·0 − (−2)·(−3) = −6
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−2)·3 − 4·0 = −6
(b × c)z = bxcy − bycx = 4·(−3) − (−3)·3 = −3

Skalarprodukt mit a

a·(b × c) = 1·(−6) + 3·(−6) + 1·(−3) = −27
V = |−27| = 27

Antwort

V = 27
7.Integrale

Antwort: I = 3,296

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 3 − ln 1) = 3·ln 3 = 3,296

Antwort

I = 3,296
8.Integrale

Antwort: I = 0,0609

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

1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609

Antwort

I = 0,0609
9.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: Duf = −0,792

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 = 2 cos(x + 2y) → fx(−1, 2) = −1,98
fy = 4 cos(x + 2y) → fy(−1, 2) = −3,96

Einheitsvektor

|v| = √((−4)² + 3²) = 5
u = (−0,8, 0,6)

Skalarprodukt

Duf = (−1,98)·(−0,8) + (−3,96)·0,6 = −0,792

Antwort

Duf = −0,792
10.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: B (1, 1)

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 − 3) = 0
fy = −(2y − 2) = 0
(1, 1), (−1, 1)

Test mit der zweiten Ableitung

(1, 1): fxx = −6, fyy = −2, fxy = 0, D = 12 → lokales Maximum
(−1, 1): fxx = 6, fyy = −2, fxy = 0, D = −12 → Sattelpunkt

Der Punkt

B (1, 1): lokales Maximum

Antwort

B (1, 1)
11.Folgen & Reihen

Antwort: x = 2,25

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.

Koeffizienten

ck+1/ck = (2k + 2)(2k + 1)/(k + 1)² → 4, also R = 1/4

Radius

R = 0,25

Intervall

1,75 < x < 2,25
x = 2,25

Antwort

x = 2,25

Das Quotientenkriterium sagt an den beiden Randpunkten nichts aus; sie müssen getrennt geprüft werden.

12.Folgen & Reihen

Antwort: P₂(−0.4) = −0,48

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

P₂(x) = x − 0,5x²

Einsetzen

P₂(−0,4) = −0,4 − 0,08 = −0,48

Antwort

P₂(−0,4) = −0,48

Der exakte Wert ist f(−0,4) = −0,510826; der Fehler −0,0308256 wird kleiner, wenn du mehr Terme nimmst oder einen Punkt näher bei 0.

13.Laplace-Transformationen

Antwort: A = 6,167

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 + 8s + 7 = (s + 1)(s + 7)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 7)

Zuhaltemethode

Multipliziere mit (s + 1) und setze s = −1: Der B-Term verschwindet.

A = (2s + 39)/(s + 7) |s = −1 = 37/6 = 6,167

Antwort

A = 6,167
(B = −4,167, also f(t) = 6,167·e−t − 4,167·e−7t)
14.Laplace-Transformationen

Antwort: g(0.4) = 1,562

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) = (2s + 5)/(s² + 3s + 2)

Partialbruchzerlegung

s² + 3s + 2 = (s + 1)(s + 2)
A = 3, B = −1

Impulsantwort

g(t) = 3·e−t − e−2t
g(0,4) = 1,562

Antwort

g(0,4) = 1,562
15.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: y(0.125) = 0,4918

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) = 5·∫₀ᵗ e−4τ dτ = (5/4)·(1 − e−4t)

Auswerten

y(0,125) = 1,25·(1 − e−0,5) = 0,4918

Antwort

y(0,125) = 0,4918
16.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: c3 = 1,698

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 = 1000 Hz → k = 3000/1000 = 3

Amplitude

c3 = 4·4/(3π) = 1,698

Antwort

c3 = 1,698

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