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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″ + 8y′ + 16y = 0 mit y(0) = 5 und y′(0) = 4. Bestimme y(1,5).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(1.5) =
2.DifferentialgleichungenSchwer
Löse das Anfangswertproblem y′ + 2y/x = x für x > 0 mit y(1) = 2. Bestimme y(3).
y′ + 2y/x = xy(1) = 2
y(3) =
3.Matrizen & DeterminantenMittel
Bestimme die Determinante det A der gezeigten 3×3-Matrix A.
A = [5 2 2; −3 4 −4; −4 −2 −5]
det A =
4.Matrizen & DeterminantenSchwer
Löse das Gleichungssystem 5x − 3y = 1 und 2x + 4y = −8. Bestimme x.
5x − 3y = 12x + 4y = −8
x =
5.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
Bestimme den Wert von k, für den die Vektoren a = (−3, 0, −3) und b = (−1, 0, k) senkrecht aufeinander stehen.
a = (−3, 0, −3)b = (−1, 0, k)
k =
6.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
Eine Kraft F = (−50, 20, 30) N wirkt im Punkt A(1, 0, −2). Die Koordinaten sind in Metern angegeben. Bestimme die y-Komponente My des Moments der Kraft bezüglich Punkt O(−2, −1, −2).
F = (−50, 20, 30) NA(1, 0, −2) mO(−2, −1, −2) m
My = N·m
7.IntegraleMittel
Berechne I = ∫28 1/x dx.
f(x) = 1/x[2, 8]
I =
8.IntegraleSchwer
Berechne I = ∫₀1 x²·eˣ dx.
∫₀1 x²eˣ dx
I =
9.Analysis mehrerer VariablenMittel
Bestimme für f(x, y) = −2x³y³ − 3x² − 4y² + 3xy die maximale Änderungsrate von f im Punkt (1, 3), also |∇f|.
f(x, y) = −2x³y³ − 3x² − 4y² + 3xyP = (1, 3)
|∇f| =
10.Analysis mehrerer VariablenSchwer
Das Integral I = ∫01,5 ∫x1,5 cos(y²) dy dx lässt sich in dieser Reihenfolge nicht berechnen. Vertausche die Integrationsreihenfolge und berechne es.
f = cos(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 1,5
I =
11.Folgen & ReihenMittel
Die Potenzreihe Σk=1∞ 5ᵏ·(x − 3)ᵏ/(k + 1) konvergiert auf einem Intervall um x₀ = 3. Bestimme das rechte Ende x dieses Intervalls.
Σ 5ᵏ·(x − 3)ᵏ/(k + 1)x₀ = 3
x =
12.Folgen & ReihenSchwer
f(x) = cos x wird durch ihr Maclaurin-Polynom vom Grad 4 bei x = 0,2 angenähert. Verwende die Lagrangesche Fehlerschranke M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! mit M = 1, um den größtmöglichen Fehler |R₄| zu bestimmen.
f(x) = cos xn = 4x = 0,2M = 1
|R₄| =
13.Laplace-TransformationenMittel
Bestimme f(t) für F(s) = (5s + 37)/(s² + 4s + 4) und werte f(1) aus.
F(s) = (5s + 37)/(s² + 4s + 4)t = 1 s
f(1) =
14.Laplace-TransformationenSchwer
Ein System gehorcht y″ + 9y′ + 18y = 45·u(t). Es startet in Ruhe (y(0) = 0, y′(0) = 0), und der Eingang ist ein Sprung u(t) = 5 für t ≥ 0. Bestimme mit der Laplace-Transformation den Ausgang y(0,25).
Das Signal x(t) ist nur zwischen t = −2 s und t = 1 s ungleich null, und h(t) nur zwischen t = 1 s und t = 5 s. Bestimme die Dauer D von y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: −2 … 1 sh: 1 … 5 s
D = s
16.Faltung und LTI-SystemeSchwer
Die Eingangsgröße x(t) = 5·cos(20t) wird auf ein System mit h(t) = 10·e−20tu(t) gegeben. Bestimme die Phase φ der Ausgangsgröße im eingeschwungenen Zustand relativ zur Eingangsgröße in Grad.
h(t) = 10e−20tu(t)x(t) = 5cos(20t)
φ = °
3Lösungen
1.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 0,1016
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 + 4)² = 0 → r = −4
Konstanten
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = 4 + 20 = 24
Auswerten
y(1,5) = (5 + 24·1,5)·e−6 = 0,1016
Antwort
y(1,5) = 0,1016
2.Differentialgleichungen
Antwort: y(3) = 2,444
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)′ = x3 → x2y = 1x4/4 + C
Anfangsbedingung
2 = 1/4 + C → C = 1,75
Auswerten
y(3) = (1·34/4 + 1,75)/32 = 2,444
Antwort
y(3) = 2,444
3.Matrizen & Determinanten
Antwort: det A = −94
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 = −28, M₁₂ = −1, M₁₃ = 22
Laplace-Entwicklung
det A = 5·(−28) − 2·(−1) + 2·22 = −94
Antwort
det A = −94
4.Matrizen & Determinanten
Antwort: x = −0,7692
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 = 5·4 − (−3)·2 = 26
Die x-Spalte ersetzen
det Aₓ = 1·4 − (−3)·(−8) = −20
x = −20/26 = −0,7692
Antwort
x = −0,7692
y = −1,615
5.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: k = 1
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 = (−3)·(−1) + 0·0 + (−3)·k = 0
3 + (−3)·k = 0
Nach k auflösen
k = −3/(−3) = 1
Antwort
k = 1
6.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: My = −90 N·m
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.
Ortsvektor von O nach A
r = A − O = (1, 0, −2) − (−2, −1, −2) = (3, 1, 0) m
Moment M = r × F
(r × F)x = ryFz − rzFy = 1·30 − 0·20 = 30 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 0·(−50) − 3·30 = −90 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 3·20 − 1·(−50) = 110 N·m
Gesuchte Komponente
My = −90 N·m
Antwort
My = −90 N·m
7.Integrale
Antwort: I = 1,386
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) = ln x
An den Grenzen auswerten
I = (ln 8 − ln 2) = ln 4 = 1,386
Antwort
I = 1,386
8.Integrale
Antwort: I = 0,7183
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
2,718·(1) − 1·2 = 0,7183
Antwort
I = 0,7183
9.Analysis mehrerer Variablen
Antwort: |∇f| = 175,8
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.
Partielle Ableitungen
fx = −6x²y³ − 6x + 3y → fx(1, 3) = −159
fy = −6x³y² − 8y + 3x → fy(1, 3) = −75
Länge des Gradienten
|∇f| = √((−159)² + (−75)²) = 175,8
Antwort
|∇f| = 175,8
10.Analysis mehrerer Variablen
Antwort: I = 0,389
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 ≤ 1,5
Vertauschte Reihenfolge
I = ∫01,5 ∫0y cos(y²) dx dy = ∫01,5 y·cos(y²) dy
Substitution u = y²
I = [sin(y²)/2]01,5 = 0,389
Antwort
I = 0,389
11.Folgen & Reihen
Antwort: x = 3,2
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 = (1/5)·(k + 2)/(k + 1) → 0,2
Radius
R = 0,2
Intervall
2,8 < x < 3,2
x = 3,2
Antwort
x = 3,2
Das Quotientenkriterium sagt an den beiden Randpunkten nichts aus; sie müssen getrennt geprüft werden.
12.Folgen & Reihen
Antwort: |R₄| = 2,667 × 10⁻⁶
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 = 1
Lagrangesche Schranke
|R₄| ≤ 1·0,2⁵/5! = 2,667 × 10⁻⁶
Antwort
|R₄| = 2,667 × 10⁻⁶
Der wahre Fehler ist kleiner: |f(0,2) − P₄(0,2)| = 8,883 × 10⁻⁸.
13.Laplace-Transformationen
Antwort: f(1) = 4,331
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
5s + 37 = 5(s + 2) + 27
F(s) = 5/(s + 2) + 27/(s + 2)²
Rücktransformation
f(t) = 5·e−2t + 27·t·e−2t
f(1) = (5 + 27·1)·e−2·1 = 4,331
Antwort
f(1) = 4,331
14.Laplace-Transformationen
Antwort: y(0.25) = 3,48
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) = 225/(s(s + 3)(s + 6))
Partialbruchzerlegung
A = 225/(3·6) = 12,5
B = 225/((−3)·3) = −25
C = 225/((−6)·(−3)) = 12,5
Ausfuhr
y(t) = 12,5 − 25·e−3t + 12,5·e−6t
y(0,25) = 3,48
Antwort
y(0,25) = 3,48
15.Faltung und LTI-Systeme
Antwort: D = 7 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 = −2 + 1 = −1 s
tend = 1 + 5 = 6 s
Antwort
D = 7 s
Antwort
D = 7 s
16.Faltung und LTI-Systeme
Antwort: φ = −45 °
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)|.