Höhere Mathematik für Ingenieure: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 20 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Grenzwerte

Direktes Einsetzen
setze zuerst x = a ein; 0/0 bedeutet: vereinfachen
Faktorisieren und kürzen
xⁿ − aⁿ = (x − a)(xⁿ⁻¹ + a·xⁿ⁻² + … + aⁿ⁻¹)
Konjugierte
(√x − √a)(√x + √a) = x − a
Grenzwerte im Unendlichen
teile durch die höchste Potenz von x; bei gleichem Grad ergibt sich das Verhältnis der Leitkoeffizienten
Spezieller Grenzwert
limx→∞ (1 + a/x)bx = eab
Regel von L'Hôpital
lim f/g = lim f′/g′ (0/0 or ∞/∞)

Ableitungen

Potenzregel
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Produktregel
(uv)′ = u′v + uv′
Quotientenregel
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Kettenregel
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Wichtige Ableitungen
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Methode

  1. Erkenne die Struktur: Summe, Produkt, Quotient oder Verkettung.
  2. Wende die Potenzregel auf jede Potenz von x an.
  3. Verwende bei Bedarf Produkt-, Quotienten- oder Kettenregel.
  4. Vereinfache und werte an der Stelle aus, falls verlangt.

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).

Komplexe Zahlen

Kartesische Form
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Betrag und Argument
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Polar- und Exponentialform
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Division
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Produkt und Quotient
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
De Moivre
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
n-te Wurzeln
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Quadratische Gleichung mit p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Methode

  1. Entscheide, welche Form zur Operation passt: kartesisch a + jb zum Addieren und Subtrahieren, polar r∠θ zum Multiplizieren, Dividieren, Potenzieren und Wurzelziehen.
  2. Multipliziere mit j² = −1 aus; dividiere, indem du Zähler und Nenner mit der konjugiert komplexen Zahl des Nenners multiplizierst.
  3. Wandle mit r = √(a² + b²) um und bestimme θ anhand einer Skizze des Punktes (Quadrant prüfen), und zurück mit a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Verwende für Potenzen De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; liste für zⁿ = R∠φ alle n Wurzeln R1/n∠((φ + 360°k)/n) auf.

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.

Wahrscheinlichkeit

Gegenereignis
P(not A) = 1 − P(A)
Additionssatz
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
Unabhängige Ereignisse
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
Bedingte Wahrscheinlichkeit
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
Binomialverteilung
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

Beschreibende Statistik

Mittelwert
x̄ = Σx/n
Stichproben-Standardabweichung
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
Median
mittlerer Wert der sortierten Daten
z-Wert
z = (x − μ)/σ
Normalverteilung
68% innerhalb ±1σ, 95% innerhalb ±2σ

Normalverteilung

z-Wert
z = (x − μ)/σ
Unterhalb von x
P(X < x) = Φ(z)
Oberhalb von x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Dazwischen
Φ(z2) − Φ(z1)
Perzentil
x = μ + z·σ

Methode

  1. Rechne den Wert in einen z-Wert um: z = (x − μ)/σ.
  2. Lies Φ(z) ab, die Fläche links von z.
  3. Für die Fläche rechts verwende 1 − Φ(z); für ein Intervall subtrahiere die beiden linken Flächen.
  4. Für ein Perzentil rechnest du rückwärts: Bestimme z zur Fläche, dann x = μ + z·σ.

2Übungsaufgaben

1.GrenzwerteMittel
xyy = L

Bestimme den Grenzwert L = limx→∞ (1 + 3/x)2x. Gib einen Dezimalwert an.

f(x) = (1 + 3/x)2xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
xyx = 0

Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (1 − cos 5x)/(4x²), mit x im Bogenmaß.

f(x) = (1 − cos 5x)/(4x²)x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
xyx = 3

Gegeben ist f(x) = ln(x2 + 4). Bestimme f′(3).

f(x) = ln(x2 + 4)x = 3
f′(3) =
4.AbleitungenSchwer
xyx = −2

Die Tangente an f(x) = 3x2 − 4x + 1 bei x = −2 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.

f(x) = 3x2 − 4x + 1x = −2
b =
5.IntegraleMittel
xy14

Berechne I = ∫14 3/x dx.

f(x) = 3/x[1, 4]
I =
6.IntegraleSchwer
xy0,5y = x²eˣ

Berechne I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.

∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
7.Komplexe ZahlenMittel
ReIm11−1−122−2−2θz

Schreibe z = 3∠−40° in kartesischer Form a + jb und gib den Realteil a an.

r = 3θ = −40°
a =
8.Komplexe ZahlenSchwer
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Löse z² − 8z + 32 = 0. Die Lösungen sind a ± jb; bestimme b > 0.

p = −8q = 32
b =
9.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 2y(0,5) = ?

Löse y″ + 4y′ + 4y = 0 mit y(0) = 2 und y′(0) = 2. Bestimme y(0,5).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(0.5) =
10.DifferentialgleichungenSchwer
ty1,5y(1,5) = ?

Löse y′ + y = 5e−3t mit y(0) = 3. Bestimme y(1,5).

y′ + y = 5e−3ty(0) = 3
y(1.5) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
A =−231−1−1−5−344

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

A = [−2 3 1; −1 −1 −5; −3 4 4]
det A =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =−3−521b =120

Löse das Gleichungssystem −3x − 5y = 12 und 2x + y = 0. Bestimme x.

−3x − 5y = 122x + y = 0
x =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme den Winkel θ zwischen den Vektoren a = (2, 2, −1) und b = (−6, −5, −5) in Grad.

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

Eine Kraft F = (−60, 50, 0) N wirkt im Punkt A(1, 1, 4). Die Koordinaten sind in Metern angegeben. Bestimme den Betrag |M| des Moments der Kraft bezüglich Punkt O(0, −3, 2).

F = (−60, 50, 0) NA(1, 1, 4) mO(0, −3, 2) m
|M| = N·m
15.WahrscheinlichkeitMittel
n = 8k = 4N = ?

Auf wie viele Arten N kann ein Ausschuss von 4 Personen aus einer Gruppe von 8 gewählt werden? Die Reihenfolge spielt keine Rolle.

n = 8k = 4
N =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
€p(x)−100,84200,154900,01

Ein Spiel kostet €10 Einsatz. Du gewinnst €30 mit der Wahrscheinlichkeit 0,15 und €500 mit der Wahrscheinlichkeit 0,01; sonst gewinnst du nichts. Der Einsatz wird nicht zurückgegeben. Bestimme den erwarteten Nettogewinn E(G) pro Spiel.

Einsatz = €10€30: p = 0,15€500: p = 0,01
E(G) = €
17.Beschreibende StatistikMittel
253035404550

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 41, 25, 33, 49, 51, 43.

n = 6
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
z −2−1012

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 70 und Standardabweichung 10. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 74.

μ = 70σ = 10x = 74
z =
19.NormalverteilungMittel
144 kg145,4 kgT = X₁ + … + X₁₂?

Gegeben sind Kartons; ihre Massen sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 12 kg und der Standardabweichung 0,8 kg. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass die Gesamtmasse von 12 davon unter 145,4 kg liegt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μ = 12 kgσ = 0,8 kgn = 12< 145.4 kg
P =
20.NormalverteilungSchwer
380420460500540580620hunten 90%

Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten unteren 90 % links davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 500 hσ = 40 h90%
x = h

3Lösungen

1.Grenzwerte

Antwort: L = 403,4

Grenzwerte: Versuche zuerst direktes Einsetzen. Ergibt sich 0/0, vereinfache zuerst: faktorisiere und kürze den gemeinsamen Faktor oder erweitere mit der Konjugierten. Für x → ∞ teilst du Zähler und Nenner durch die höchste Potenz von x. Regel von L'Hôpital: Ergibt f/g die Form 0/0 oder ∞/∞, dann ist lim f/g = lim f′/g′, wobei Zähler und Nenner getrennt abgeleitet werden (nicht mit der Quotientenregel).

Den Logarithmus bilden

ln L = limx→∞ 2·x·ln(1 + 3/x)

Auswerten

ln(1 + u)/u → 1 für u → 0, also x·ln(1 + a/x) → a.

ln L = 2·3 = 6

Den Logarithmus rückgängig machen

L = e6 = 403,4

Antwort

L = 403,4
2.Grenzwerte

Antwort: L = 3,125

Grenzwerte: Versuche zuerst direktes Einsetzen. Ergibt sich 0/0, vereinfache zuerst: faktorisiere und kürze den gemeinsamen Faktor oder erweitere mit der Konjugierten. Für x → ∞ teilst du Zähler und Nenner durch die höchste Potenz von x. Regel von L'Hôpital: Ergibt f/g die Form 0/0 oder ∞/∞, dann ist lim f/g = lim f′/g′, wobei Zähler und Nenner getrennt abgeleitet werden (nicht mit der Quotientenregel).

Erste Anwendung

5·sin 5x/(8x) → 0/0

Zweite Anwendung

25·cos 5x/8

x = 0 einsetzen

L = 25/8 = 3,125

Antwort

L = 3,125
3.Ableitungen

Antwort: f′(3) = 0,4615

Differenzieren: Die Ableitung f′(x) ist die Steigung des Graphen bei x. Potenzregel: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Produktregel: (uv)′ = u′v + uv′. Kettenregel: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Wo f′(x) = 0 ist, hat der Graph eine waagerechte Tangente: ein Maximum, Minimum oder einen Sattelpunkt.

Kettenregel für den Logarithmus

f′(x) = 2x/(x2 + 4)

Einsetzen

f′(3) = 6/13 = 0,4615

Antwort

f′(3) = 0,4615
4.Ableitungen

Antwort: b = −11

Differenzieren: Die Ableitung f′(x) ist die Steigung des Graphen bei x. Potenzregel: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Produktregel: (uv)′ = u′v + uv′. Kettenregel: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Wo f′(x) = 0 ist, hat der Graph eine waagerechte Tangente: ein Maximum, Minimum oder einen Sattelpunkt.

Punkt und Steigung

f(−2) = 21
f′(x) = 6x − 4 → f′(−2) = −16

Tangente bei x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 21 − (−16)·(−2) = −11

Antwort

b = −11
5.Integrale

Antwort: I = 4,159

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 4 − ln 1) = 3·ln 4 = 4,159

Antwort

I = 4,159
6.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
7.Komplexe Zahlen

Antwort: a = 2,298

Polarform: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, mit r = |z| und θ = arg z. Zurück zur kartesischen Form: a = r cos θ, b = r sin θ. Für das Argument braucht man den Quadranten: θ = atan(b/a) gilt nur für a > 0; für a < 0 addiere oder subtrahiere 180°. In der Polarform ist die Multiplikation einfach: Multipliziere die Beträge und addiere die Argumente; bei der Division teile die Beträge und subtrahiere die Argumente.

Komponenten

a = 3·cos(−40°) = 2,298
b = 3·sin(−40°) = −1,928

Kartesische Form

z = 2,298 − j1,928
a = 2,298

Antwort

a = 2,298
8.Komplexe Zahlen

Antwort: b = 4

De Moivre und Wurzeln: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. Die Gleichung zⁿ = R∠φ hat genau n Lösungen, alle mit dem Betrag R1/n, bei den Argumenten (φ + 360°·k)/n für k = 0, 1, …, n − 1: Sie liegen gleichmäßig verteilt auf einem Kreis, jeweils 360°/n auseinander. Eine quadratische Gleichung z² + pz + q = 0 mit p² < 4q hat die komplexen Lösungen z = −p/2 ± j√(q − p²/4); ein Polynom mit reellen Koeffizienten hat seine komplexen Nullstellen immer in konjugierten Paaren a ± jb.

Diskriminante

p² − 4q = 64 − 128 = −64 < 0

Lösungsformel

z = (8 ± j√64)/2 = 4 + j4, 4 − j4

Antwort

b = 4

Antwort

b = 4
9.Differentialgleichungen

Antwort: y(0.5) = 1,839

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) = 2
y′(0) = B − 2A → B = 2 + 4 = 6

Auswerten

y(0,5) = (2 + 6·0,5)·e−1 = 1,839

Antwort

y(0,5) = 1,839
10.Differentialgleichungen

Antwort: y(1.5) = 1,199

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 = et
(ety)′ = 5e−2t

Allgemeine Lösung

y = 5/(−2)·e−3t + C·e−t = −2,5·e−3t + C·e−t

Anfangsbedingung

3 = −2,5 + C → C = 5,5

Auswerten

y(1,5) = −2,5·0,01111 + 5,5·0,2231 = 1,199

Antwort

y(1,5) = 1,199
11.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = 18

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 = 16, M₁₂ = −19, M₁₃ = −7

Laplace-Entwicklung

det A = (−2)·16 − 3·(−19) + 1·(−7) = 18

Antwort

det A = 18
12.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = 1,714

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 = (−3)·1 − (−5)·2 = 7

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = 12·1 − (−5)·0 = 12
x = 12/7 = 1,714

Antwort

x = 1,714
y = −3,429
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: θ = 127,7 °

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 = 2·(−6) + 2·(−5) + (−1)·(−5) = −17

Beträge

|a| = √(2² + 2² + (−1)²) = 3
|b| = √((−6)² + (−5)² + (−5)²) = 9,274

Winkel

cos θ = −17/(3·9,274) = −0,6111
θ = arccos(−0,6111) = 127,7°

Antwort

θ = 127,7°
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: |M| = 329,4 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, 1, 4) − (0, −3, 2) = (1, 4, 2) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 4·0 − 2·50 = −100 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 2·(−60) − 1·0 = −120 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 1·50 − 4·(−60) = 290 N·m

Betrag

|M| = √((−100)² + (−120)² + 290²) = 329,4 N·m

Antwort

|M| = 329,4 N·m
15.Wahrscheinlichkeit

Antwort: N = 70

Wahrscheinlichkeit: Bei gleich wahrscheinlichen Ergebnissen gilt P(A) = günstige/mögliche. Bei unabhängigen Ereignissen wird multipliziert: P(A und B) = P(A)·P(B). Das Gegenereignis hilft oft: P(mindestens eins) = 1 − P(keins). Binomial: Bei n unabhängigen Versuchen mit Erfolgswahrscheinlichkeit p gilt P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.

Kombinationen

C(8, 4) = (8·7·6·5)/(4·3·2·1) = 70

Antwort

N = 70
16.Wahrscheinlichkeit

Antwort: E(G) = −0,5 €

Diskrete Zufallsvariablen: Eine Wahrscheinlichkeitsverteilung listet jeden Wert x, den eine Variable annehmen kann, mit seiner Wahrscheinlichkeit p(x) auf; die Wahrscheinlichkeiten liegen zwischen 0 und 1 und summieren sich zu 1. Der Erwartungswert (Mittelwert) ist E(X) = Σx·p(x), der Durchschnitt auf lange Sicht. Die Varianz ist Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ², und die Standardabweichung ist σ = √Var(X). Für eine lineare Änderung Y = aX + b gilt: E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) und σY = |a|·σX; das Addieren einer Konstanten ändert die Streuung nicht.

Nettoergebnisse

G: 20 (p = 0,15), 490 (p = 0,01), −10 (p = 0,84)

Erwartungswert

E(G) = 20·0,15 + 490·0,01 − 10·0,84 = −0,5 €

Antwort

E(G) = −0,5 €

Ein negativer Wert bedeutet, dass du im Durchschnitt Geld verlierst.

17.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 9,852

Beschreibende Statistik: Der Mittelwert ist die Summe geteilt durch n; der Median ist der mittlere Wert der sortierten Daten (bei geradem n der Mittelwert der beiden mittleren Werte). Die Stichproben-Standardabweichung ist s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Ein z-Wert z = (x − μ)/σ gibt an, wie viele Standardabweichungen ein Wert vom Mittelwert entfernt liegt.

Mittelwert

x̄ = 242/6 = 40,33

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 0,6667² + (−15,33)² + (−7,333)² + 8,667² + 10,67² + 2,667² = 485,3

Standardabweichung

s = √(485,3/5) = 9,852

Antwort

s = 9,852
18.Beschreibende Statistik

Antwort: z = 0,4

Beschreibende Statistik: Der Mittelwert ist die Summe geteilt durch n; der Median ist der mittlere Wert der sortierten Daten (bei geradem n der Mittelwert der beiden mittleren Werte). Die Stichproben-Standardabweichung ist s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Ein z-Wert z = (x − μ)/σ gibt an, wie viele Standardabweichungen ein Wert vom Mittelwert entfernt liegt.

Standardisieren

z = (74 − 70)/10 = 0,4

Antwort

z = 0,4
19.Normalverteilung

Antwort: P = 0,695

Summen und Differenzen normalverteilter Variablen: Sind X und Y unabhängig und normalverteilt, sind auch X + Y und X − Y normalverteilt. Die Mittelwerte werden addiert oder subtrahiert: E(X ± Y) = μX ± μY. Die Varianzen addieren sich immer, auch bei einer Differenz: Var(X ± Y) = σX² + σY², also σ = √(σX² + σY²). Standardabweichungen werden nie direkt addiert. Die Summe von n unabhängigen Objekten mit derselben Verteilung hat den Mittelwert n·μ und die Standardabweichung σ·√n. Standardisiere dann wie gewohnt: z = (x − Mittelwert)/σ und lies Φ(z) ab.

Verteilung der Summe

μT = 144 kg, σT = 0,8·√12 = 2,771 kg

Standardisieren

z = (145,4 − 144)/2,771 = 0,51

Wahrscheinlichkeit

P = Φ(0,51) = 0,695

Antwort

P = 0,695
20.Normalverteilung

Antwort: x = 551 h

Von einer Fläche zurück zu z: Φ(z) ist die Fläche links von z. Für eine linke Randfläche A suche in der Tabelle z mit Φ(z) = A. Eine rechte Randfläche A bedeutet Φ(z) = 1 − A. Eine zentrale Fläche A zwischen −z und z lässt (1 − A)/2 auf jedem Rand übrig, also Φ(z) = (1 + A)/2. Für einen Wert x verwende x = μ + zσ.

Fläche links

Φ(z) = 0,9

z aus der Tabelle

z ≈ 1,28

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 500 + 1,28·40 = 551 h

Antwort

x = 551 h

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