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→∞ (√(x2 − 10x) − x).

f(x) = √(x2 − 10x) − xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
xyx = 0

Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (ex − 1 − x)/x².

f(x) = (ex − 1 − x)/x²x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
xyx = 2

Gegeben ist f(x) = x·sin(x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(2).

f(x) = x·sin(x)x = 2 rad
f′(2) =
4.AbleitungenSchwer
xy

Gegeben ist f(x) = x3 − 12x + 6. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Maximums.

f(x) = x3 − 12x + 6
x =
5.IntegraleMittel
xy1y = √(4x)

Das Gebiet unter y = √(4x) von x = 0 bis x = 1 wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers (ein Paraboloid).

y = √(4x)0 ≤ x ≤ 1
V =
6.IntegraleSchwer
xyy = 2x2​y = x

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

y = 2x2y = x
A =
7.Komplexe ZahlenMittel
ReIm22−2−244−4−4θz

Bestimme das Argument θ von z = −4 − j in Grad als Hauptwert zwischen −180° und 180°.

z = −4 − j
θ = °
8.Komplexe ZahlenSchwer
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Löse z² + 2z + 17 = 0. Die Lösungen sind a ± jb; bestimme den Realteil a.

p = 2q = 17
a =
9.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 4y(0,5) = ?

Löse y″ + 7y′ + 10y = 0 mit y(0) = 4 und y′(0) = 4. Bestimme y(0,5).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 4y′(0) = 4
y(0.5) =
10.DifferentialgleichungenSchwer
tyK = 2y(0,5) = ?

Ein System gehorcht y″ + y′ + 4,25y = 8,5 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme y(0,5); Winkel im Bogenmaß.

y″ + y′ + 4,25y = 8,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
A =5−55−1B =−4−542

Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c22 (Zeile 2, Spalte 2).

A = [5 −5; 5 −1]B = [−4 −5; 4 2]
c22 =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =−24−64b =5−9

Löse das Gleichungssystem −2x + 4y = 5 und −6x + 4y = −9. Bestimme x.

−2x + 4y = 5−6x + 4y = −9
x =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme die skalare Projektion compb a von a = (−2, −2, 6) auf b = (0, 4, −4), also die Komponente von a in Richtung von b.

a = (−2, −2, 6)b = (0, 4, −4)
compb a =
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzab

Bestimme für a = (3, 1, 2) und b = (6, −1, 1) die x-Komponente (a × b)x des Kreuzprodukts a × b.

a = (3, 1, 2)b = (6, −1, 1)
(a × b)x =
15.WahrscheinlichkeitMittel
n = 8k = 3N = ?

Auf wie viele Arten N kann ein Ausschuss von 3 Personen aus einer Gruppe von 8 gewählt werden? Die Reihenfolge spielt keine Rolle.

n = 8k = 3
N =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
€p(x)−20,8980,1380,01

Ein Spiel kostet €2 Einsatz. Du gewinnst €10 mit der Wahrscheinlichkeit 0,1 und €40 mit der Wahrscheinlichkeit 0,01; sonst gewinnst du nichts. Der Einsatz wird nicht zurückgegeben. Bestimme den erwarteten Nettogewinn E(G) pro Spiel.

Einsatz = €2€10: p = 0,1€40: p = 0,01
E(G) = €
17.Beschreibende StatistikMittel
152025303540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 56, 11, 24, 53, 13, 45.

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

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 70 und Standardabweichung 20. Welcher Anteil P der Werte liegt unter 110?

μ = 70σ = 20x = 110
P =
19.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche zwischen −z und z = 0,7415

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche zwischen −z und z unter der Standardnormalverteilung gleich 0,7415 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,7415
z =
20.NormalverteilungSchwer
0,04 mm0D − d?

Bohrungsdurchmesser D sind normalverteilt mit dem Mittelwert 25,04 mm und der Standardabweichung 0,01 mm. Wellendurchmesser d sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 25 mm und der Standardabweichung 0,015 mm. Eine zufällig gewählte Welle passt, wenn D − d > 0 ist. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass sie passt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

Bohrung: μ = 25,04 mm, σ = 0,01 mmWelle: μ = 25 mm, σ = 0,015 mm
P =

3Lösungen

1.Grenzwerte

Antwort: L = −5

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).

Mit der Konjugierten erweitern

f(x) = −10x/(√(x2 − 10x) + x)

Durch x teilen

f(x) = −10/(√(1 + (−10)/x) + 1)

x → ∞ laufen lassen

L = −10/(1 + 1) = −5

Antwort

L = −5
2.Grenzwerte

Antwort: L = 0,5

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

(1·ex − 1)/(2x) → 0/0

Zweite Anwendung

1·ex/2

x = 0 einsetzen

L = 1·1/2 = 0,5

Antwort

L = 0,5
3.Ableitungen

Antwort: f′(2) = 0,077

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.

Produkt- und Kettenregel

f′(x) = sin(x) + x·cos(x)

Einsetzen

f′(2) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077

Antwort

f′(2) = 0,077
4.Ableitungen

Antwort: x = −2

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.

Ableitung

f′(x) = 3x2 − 12 = 3·(x2 − 4)

f′(x) = 0 lösen

x = −2 oder x = 2

Welches ist welches

f″(x) = 6x: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.

f″(−2) = −12, f″(2) = 12
x = −2

Antwort

x = −2
5.Integrale

Antwort: V = 6,283

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∫₀1 4x dx

Integrieren

V = π·4·1²/2 = 6,283

Antwort

V = 6,283
6.Integrale

Antwort: A = 0,04167

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

2x2 = x → x = 0, x = 0,5

Obere minus untere integrieren

A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167

Antwort

A = 0,04167
7.Komplexe Zahlen

Antwort: θ = −166 °

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.

Quadrant

a = −4, b = −1 → III

Bezugswinkel

α = atan(1/4) = 14,04°

Argument

θ = −(180° − α) = −166°

Antwort

θ = −166°

In Polarform ist z = 4,123∠−166°.

8.Komplexe Zahlen

Antwort: a = −1

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 = 4 − 68 = −64 < 0

Lösungsformel

z = (−2 ± j√64)/2 = −1 + j4, −1 − j4

Antwort

a = −1

Antwort

a = −1
9.Differentialgleichungen

Antwort: y(0.5) = 2,615

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.

Charakteristische Wurzeln

(r + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5

Konstanten aus den Anfangswerten

A + B = 4, −2A − 5B = 4
A = 8, B = −4

Auswerten

y(0,5) = 8·e−1 + (−4)·e−2,5 = 2,615

Antwort

y(0,5) = 2,615
10.Differentialgleichungen

Antwort: y(0.5) = 0,8308

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.

Stationärer Wert und Wurzeln

yss = 2, r = −0,5 ± 2j

Konstanten aus den Anfangswerten

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 2B = 0 → B = −0,5

Auswerten

y(0,5) = 2·(1 − e−0,25(cos 1 + 0,25·sin 1)) = 0,8308

Antwort

y(0,5) = 0,8308
11.Matrizen & Determinanten

Antwort: c22 = −27

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

c22 = 5·(−5) + (−1)·2 = −27

Antwort

c22 = −27
12.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = 3,5

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 = (−2)·4 − 4·(−6) = 16

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = 5·4 − 4·(−9) = 56
x = 56/16 = 3,5

Antwort

x = 3,5
y = 3
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: compb a = −5,657

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)·0 + (−2)·4 + 6·(−4) = −32

Länge von b

|b| = √(0² + 4² + (−4)²) = 5,657

Skalare Projektion

compb a = a·b/|b| = −32/5,657 = −5,657

Antwort

compb a = −5,657

Negativ: a hat eine Komponente, die entgegen b zeigt.

14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: (a × b)x = 3

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, Komponente für Komponente

(a × b)x = aybz − azby = 1·1 − 2·(−1) = 3
(a × b)y = azbx − axbz = 2·6 − 3·1 = 9
(a × b)z = axby − aybx = 3·(−1) − 1·6 = −9

Gesuchte Komponente

(a × b)x = 3

Antwort

(a × b)x = 3

Kontrolle: a × b steht senkrecht auf beiden Vektoren, sein Skalarprodukt mit a und mit b ist also null.

15.Wahrscheinlichkeit

Antwort: N = 56

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, 3) = (8·7·6)/(3·2·1) = 56

Antwort

N = 56
16.Wahrscheinlichkeit

Antwort: E(G) = −0,6 €

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: 8 (p = 0,1), 38 (p = 0,01), −2 (p = 0,89)

Erwartungswert

E(G) = 8·0,1 + 38·0,01 − 2·0,89 = −0,6 €

Antwort

E(G) = −0,6 €

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

17.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 20,18

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 = 202/6 = 33,67

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 22,33² + (−22,67)² + (−9,667)² + 19,33² + (−20,67)² + 11,33² = 2035

Standardabweichung

s = √(2035/5) = 20,18

Antwort

s = 20,18
18.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,9772

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 = 2

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(2) = 0,9772
P = 0,9772

Antwort

P = 0,9772
19.Normalverteilung

Antwort: z = 1,13

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 von z

Φ(z) = (1 + 0,7415)/2 = 0,8708

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,8708 in der Tabelle und lies z ab.

z = 1,13

Antwort

z = 1,13
20.Normalverteilung

Antwort: P = 0,9868

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 Differenz

μ = 25,04 − 25 = 0,04 mm, σ = 0,01803 mm

Standardisieren

z = (0 − 0,04)/0,01803 = −2,22

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−2,22) = 0,9868

Antwort

P = 0,9868

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