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)19Ta​152 °C

Ein geschmiedetes Stahlteil mit 300 °C kühlt in einer Werkstatt mit 22 °C ab. Nach 19 min beträgt die Temperatur 152 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.

T0 = 300 °CTa = 22 °CT(19) = 152 °C
k = min⁻¹
2.DifferentialgleichungenSchwer
xy13(1, −2)y(3) = ?

Löse das Anfangswertproblem y′ + 2y/x = 4x2 für x > 0 mit y(1) = −2. Bestimme y(3).

y′ + 2y/x = 4x2y(1) = −2
y(3) =
3.Matrizen & DeterminantenMittel
A =4−23−1140−3−1

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

A = [4 −2 3; −1 1 4; 0 −3 −1]
det A =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =−6−2−32b =112

Löse das Gleichungssystem −6x − 2y = 1 und −3x + 2y = 12. Bestimme x.

−6x − 2y = 1−3x + 2y = 12
x =
5.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme den Winkel θ zwischen den Vektoren a = (3, 2, −2) und b = (2, 1, 5) in Grad.

a = (3, 2, −2)b = (2, 1, 5)
θ = °
6.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzab

Der Einheitsvektor n̂ steht senkrecht auf a = (4, 1, 2) und b = (−3, −3, 1) und hat eine positive z-Komponente. Bestimme seine x-Komponente n̂x.

a = (4, 1, 2)b = (−3, −3, 1)n̂z > 0
n̂x =
7.IntegraleMittel
xy4y = 0,5x

Das Gebiet unter y = 0,5x von x = 0 bis x = 4 wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers (ein Kegel).

y = 0,5x0 ≤ x ≤ 4
V =
8.IntegraleSchwer
xyy = x2​y = 2x

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = x2 und y = 2x eingeschlossen wird.

y = x2y = 2x
A =
9.Analysis mehrerer VariablenMittel

z = −3x²y − 5x² + 5y² − xy mit x = −t + 1 und y = −2t². Bestimme mit der Kettenregel dz/dt bei t = −1.

z = −3x²y − 5x² + 5y² − xyx = −t + 1y = −2t²t = −1
dz/dt =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
xy0−4−202(2, −3)(−2, −3)

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
AΣ 1/√kk = 1 … ∞BΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞CΣ 2ᵏ/k³k = 1 … ∞DΣ k²/3ᵏk = 1 … ∞

Genau eine der vier Reihen konvergiert. Klicke sie an.

A: Σ 1/√kB: Σ (1 + 1/k)ᵏC: Σ 2ᵏ/k³D: Σ k²/3ᵏ
  1. 1A: Σ 1/√k
  2. 2B: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  3. 3C: Σ 2ᵏ/k³
  4. 4D: Σ k²/3ᵏ
12.Folgen & ReihenSchwer

Bestimme den Koeffizienten c₂ von (x − 3)² in der Taylor-Reihe von f(x) = 1/x um a = 3.

f(x) = 1/xa = 3k = 2
c₂ =
13.Laplace-TransformationenMittel
t (s)f(t)t = 1f(1) = ?

Bestimme f(t) für F(s) = (s + 6)/(s² + 4s + 4) und werte f(1) aus.

F(s) = (s + 6)/(s² + 4s + 4)t = 1 s
f(1) =
14.Laplace-TransformationenSchwer
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Ein System gehorcht y″ + 5y′ + 6y = 36·u(t). Es startet in Ruhe (y(0) = 0, y′(0) = 0), und der Eingang ist ein Sprung u(t) = 1 für t ≥ 0. Bestimme mit der Laplace-Transformation den Ausgang y(0,2).

y″ + 5y′ + 6y = 36·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,2 s
y(0.2) =
15.Faltung und LTI-SystemeMittel
x(t)t12h(t)t26

Das Signal x(t) ist nur zwischen t = 1 s und t = 2 s ungleich null, und h(t) nur zwischen t = 2 s und t = 6 s. Bestimme die Zeit tstart, zu der y(t) = x(t) ∗ h(t) beginnt.

x: 1 … 2 sh: 2 … 6 s
tstart = s
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
10cos(20t)h(t) = 5e−20t​u(t)y(t)

Die Eingangsgröße x(t) = 10·cos(20t) wird auf ein System mit h(t) = 5·e−20tu(t) gegeben. Bestimme die Amplitude Ym der Ausgangsgröße im eingeschwungenen Zustand.

h(t) = 5e−20tu(t)x(t) = 10cos(20t)
Ym =

3Lösungen

1.Differentialgleichungen

Antwort: k = 0,04 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−19k = 130/278

Nach k auflösen

k = ln(278/130)/19 = 0,04 min⁻¹

Antwort

k = 0,04 min⁻¹
2.Differentialgleichungen

Antwort: y(3) = 21,29

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)′ = 4x4 → x2y = 4x5/5 + C

Anfangsbedingung

−2 = 4/5 + C → C = −2,8

Auswerten

y(3) = (4·35/5 + (−2,8))/32 = 21,29

Antwort

y(3) = 21,29
3.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = 55

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 = 11, M₁₂ = 1, M₁₃ = 3

Laplace-Entwicklung

det A = 4·11 − (−2)·1 + 3·3 = 55

Antwort

det A = 55
4.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = −1,444

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 = (−6)·2 − (−2)·(−3) = −18

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = 1·2 − (−2)·12 = 26
x = 26/(−18) = −1,444

Antwort

x = −1,444
y = 3,833
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: θ = 95,08 °

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 = 3·2 + 2·1 + (−2)·5 = −2

Beträge

|a| = √(3² + 2² + (−2)²) = 4,123
|b| = √(2² + 1² + 5²) = 5,477

Winkel

cos θ = −2/(4,123·5,477) = −0,08856
θ = arccos(−0,08856) = 95,08°

Antwort

θ = 95,08°
6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: n̂x = −0,4616

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 = 1·1 − 2·(−3) = 7
(a × b)y = azbx − axbz = 2·(−3) − 4·1 = −10
(a × b)z = axby − aybx = 4·(−3) − 1·(−3) = −9

Normieren

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

|a × b| = √(7² + (−10)² + (−9)²) = 15,17
n̂ = −(7, −10, −9)/15,17 = (−0,4616, 0,6594, 0,5934)
n̂x = −0,4616

Antwort

n̂x = −0,4616
7.Integrale

Antwort: V = 16,76

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∫₀4 0,25x² dx

Integrieren

V = π·0,25·4³/3 = 16,76

Antwort

V = 16,76

Kontrolle: Ein Kegel mit dem Radius 2 und der Höhe 4 hat (1/3)πr²h = 16,76.

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.

Schnittpunkte

x2 = 2x → x = 0, x = 2

Obere minus untere integrieren

A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333

Antwort

A = 1,333
9.Analysis mehrerer Variablen

Antwort: dz/dt = −142

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) = 2, y(−1) = −2
dx/dt = −1, dy/dt = −4t = 4

Partielle Ableitungen

fx = −6xy − 10x − y = 6
fy = −3x² + 10y − x = −34

Kettenregel

dz/dt = 6·(−1) + (−34)·4 = −142

Antwort

dz/dt = −142
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: D: Σ k²/3ᵏ

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 → p-Reihe mit p = 1/2 ≤ 1: divergiert.
B: Σ (1 + 1/k)ᵏ → Die Glieder streben gegen e, nicht gegen 0: divergiert nach dem Trivialkriterium.
C: Σ 2ᵏ/k³ → Quotientenkriterium: L = 2 > 1, divergiert.
D: Σ k²/3ᵏ → Quotientenkriterium: L = 1/3 < 1, konvergiert.

Die Antwort

D: Σ k²/3ᵏ

Antwort

D: Σ k²/3ᵏ
12.Folgen & Reihen

Antwort: c₂ = 0,03704

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.

Ableitung f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = 2/x³

Koeffizient

c₂ = 2/(3³·2) = 0,03704
c₂ = 0,03704

Antwort

c₂ = 0,03704
13.Laplace-Transformationen

Antwort: f(1) = 0,6767

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

s + 6 = 1(s + 2) + 4
F(s) = 1/(s + 2) + 4/(s + 2)²

Rücktransformation

f(t) = e−2t + 4·t·e−2t
f(1) = (1 + 4·1)·e−2·1 = 0,6767

Antwort

f(1) = 0,6767
14.Laplace-Transformationen

Antwort: y(0.2) = 0,52

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

Y(s) = 36/(s(s + 2)(s + 3))

Partialbruchzerlegung

A = 36/(2·3) = 6
B = 36/((−2)·1) = −18
C = 36/((−3)·(−1)) = 12

Ausfuhr

y(t) = 6 − 18·e−2t + 12·e−3t
y(0,2) = 0,52

Antwort

y(0,2) = 0,52
15.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: tstart = 3 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 + 2 = 3 s
tend = 2 + 6 = 8 s

Antwort

tstart = 3 s

Antwort

tstart = 3 s
16.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: Ym = 1,768

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)|.

Frequenzgang

H(jω) = 5/(20 + jω)

Verstärkung bei der Eingangsfrequenz

|H(j20)| = 5/√(20² + 20²) = 0,1768
Ym = 10·0,1768 = 1,768

Antwort

Ym = 1,768

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