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→∞ (3x2 − 2)/(4x2 + 5x + 5).

f(x) = (3x2 − 2)/(4x2 + 5x + 5)x → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
xyx = 0

Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (e3x − 1 − 3x)/x².

f(x) = (e3x − 1 − 3x)/x²x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
xyx = 0,5

Gegeben ist f(x) = x·sin(2x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(0,5).

f(x) = x·sin(2x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
4.AbleitungenSchwer
xyx = −1

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

f(x) = −x2 + 4x − 2x = −1
b =
5.IntegraleMittel
xyπ/2y = x·cos x

Berechne I = ∫₀π/2 x·cos x dx (x im Bogenmaß).

∫₀π/2 x·cos x dx
I =
6.IntegraleSchwer
xy0,5y = x²eˣ

Berechne I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.

∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
7.Komplexe ZahlenMittel
ReIm55−5−5θz

Schreibe z = −4 + j7 in Exponentialform r·ejθ. Gib θ im Bogenmaß an, zwischen −π und π.

z = −4 + j7
θ = rad
8.Komplexe ZahlenSchwer
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Eine Lösung von z³ − 6z² + 9z + 50 = 0 ist z₁ = 4 + j3. Die Koeffizienten sind reell. Bestimme die reelle Lösung r.

z₁ = 4 + j3
r =
9.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 2y(2) = ?

Löse y″ + 7y′ + 10y = 0 mit y(0) = 2 und y′(0) = 2. Bestimme y(2).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(2) =
10.DifferentialgleichungenSchwer
tyK = 1y(1) = ?

Ein System gehorcht y″ + 2y′ + 10y = 10 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme y(1); Winkel im Bogenmaß.

y″ + 2y′ + 10y = 10y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
A =−12−51B =12−21

Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c21 (Zeile 2, Spalte 1).

A = [−1 2; −5 1]B = [1 2; −2 1]
c21 =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =−5−2−62b =−3−6

Löse das Gleichungssystem −5x − 2y = −3 und −6x + 2y = −6. Bestimme x.

−5x − 2y = −3−6x + 2y = −6
x =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzdFAB

Eine konstante Kraft F = (−10, 0, −30) N wirkt auf einen Körper, während er sich geradlinig von Punkt A(−1, −2, 5) nach Punkt B(−4, 5, 0) bewegt. Die Koordinaten sind in Metern angegeben. Bestimme die von der Kraft verrichtete Arbeit W.

F = (−10, 0, −30) NA(−1, −2, 5) mB(−4, 5, 0) m
W = J
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzrFOA

Eine Kraft F = (10, −30, 50) N wirkt im Punkt A(3, −2, 4). Die Koordinaten sind in Metern angegeben. Bestimme die z-Komponente Mz des Moments der Kraft bezüglich Punkt O(2, −3, −2).

F = (10, −30, 50) NA(3, −2, 4) mO(2, −3, −2) m
Mz = N·m
15.WahrscheinlichkeitMittel
xp(x)00,320,240,260,3μ = 3

Bestimme für die gezeigte Verteilung die Standardabweichung σ von X.

x: 0, 2, 4, 6p(x): 0,3, 0,2, 0,2, 0,3
σ =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
€p(x)−50,850,15450,05

Ein Spiel kostet €5 Einsatz. Du gewinnst €10 mit der Wahrscheinlichkeit 0,15 und €50 mit der Wahrscheinlichkeit 0,05; sonst gewinnst du nichts. Der Einsatz wird nicht zurückgegeben. Bestimme den erwarteten Nettogewinn E(G) pro Spiel.

Einsatz = €5€10: p = 0,15€50: p = 0,05
E(G) = €
17.Beschreibende StatistikMittel
15202530354045

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 15, 16, 49, 27, 29.

n = 5
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
z −2−1012

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 70 und Standardabweichung 20. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 95.

μ = 70σ = 20x = 95
z =
19.NormalverteilungMittel
200 mm200,3 mmX + Y?

X ist normalverteilt mit dem Mittelwert 120 mm und der Standardabweichung 0,3 mm; Y ist unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 80 mm und der Standardabweichung 0,4 mm. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X + Y größer als 200,3 mm ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 120, σX = 0,3μY = 80, σY = 0,4X + Y > 200,3 mm
P =
20.NormalverteilungSchwer
35455565758595Punkteunten 5%

Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten unteren 5 % links davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 65 Punkteσ = 10 Punkte5%
x = Punkte

3Lösungen

1.Grenzwerte

Antwort: L = 0,75

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).

Durch die höchste Potenz teilen

(3 + (−2)/x2)/(4 + 5/x + 5/x2)

x → ∞ laufen lassen

L = 3/4 = 0,75

Antwort

L = 0,75

Bei gleichem Grad ist der Grenzwert das Verhältnis der Leitkoeffizienten.

2.Grenzwerte

Antwort: L = 4,5

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

(3·e3x − 3)/(2x) → 0/0

Zweite Anwendung

9·e3x/2

x = 0 einsetzen

L = 9·1/2 = 4,5

Antwort

L = 4,5
3.Ableitungen

Antwort: f′(0.5) = 1,382

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(2x) + 2x·cos(2x)

Einsetzen

f′(0,5) = 0,8415 + 1·0,5403 = 1,382

Antwort

f′(0,5) = 1,382
4.Ableitungen

Antwort: b = −1

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(−1) = −7
f′(x) = −2x + 4 → f′(−1) = 6

Tangente bei x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −7 − 6·(−1) = −1

Antwort

b = −1
5.Integrale

Antwort: I = 0,5708

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.

u und dv wählen

u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

Stammfunktion

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

Grenzwerte

(π/2·sin π/2 + cos π/2) − (0 + 1) = 0,5708

Antwort

I = 0,5708
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: θ = 2,09 rad

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.

Betrag

r = √(16 + 49) = 8,062

Argument im Bogenmaß

θ = 119,7° = 119,7·π/180 = 2,09 rad

Exponentialform

z = 8,062·ej2,09

Antwort

θ = 2,09 rad
8.Komplexe Zahlen

Antwort: r = −2

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.

Konjugiertes Paar

z₂ = 4 − j3
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·4·z + (4² + 3²) = z² − 8z + 25

Das quadratische Polynom abspalten

z³ − 6z² + 9z + 50 = (z² − 8z + 25)(z + 2)

Reelle Lösung

r = −2

Antwort

r = −2

Kontrolliere mit der Summe der Lösungen: z₁ + z₂ + r = 8 + (−2) = 6 = −(−6).

9.Differentialgleichungen

Antwort: y(2) = 0,07317

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 = 2, −2A − 5B = 2
A = 4, B = −2

Auswerten

y(2) = 4·e−4 + (−2)·e−10 = 0,07317

Antwort

y(2) = 0,07317
10.Differentialgleichungen

Antwort: y(1) = 1,347

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 = 1, r = −1 ± 3j

Konstanten aus den Anfangswerten

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1A + 3B = 0 → B = −0,3333

Auswerten

y(1) = 1·(1 − e−1(cos 3 + 0,3333·sin 3)) = 1,347

Antwort

y(1) = 1,347
11.Matrizen & Determinanten

Antwort: c21 = −7

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

c21 = (−5)·1 + 1·(−2) = −7

Antwort

c21 = −7
12.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = 0,8182

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)·2 − (−2)·(−6) = −22

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = (−3)·2 − (−2)·(−6) = −18
x = −18/(−22) = 0,8182

Antwort

x = 0,8182
y = −0,5455
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: W = 180 J

Skalarprodukt: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, ein Skalar. Es liefert den Winkel zwischen zwei Vektoren, cos θ = a·b/(|a|·|b|), und ist null, wenn sie senkrecht aufeinander stehen. Die skalare Projektion von a auf b ist a·b/|b|, und eine konstante Kraft F, deren Angriffspunkt sich um d verschiebt, verrichtet die Arbeit W = F·d.

Weg

d = B − A = (−4, 5, 0) − (−1, −2, 5) = (−3, 7, −5) m

Arbeit

W = F·d = (−10)·(−3) + 0·7 + (−30)·(−5) = 180 J

Antwort

W = 180 J
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: Mz = −40 N·m

Kreuzprodukt: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) steht senkrecht auf beiden Vektoren, und |a × b| = |a|·|b|·sin θ ist die Fläche des von ihnen aufgespannten Parallelogramms (das Dreieck hat die Hälfte davon). Die Reihenfolge ist wichtig: b × a = −(a × b). Das Moment einer im Punkt A angreifenden Kraft F bezüglich des Punktes O ist MO = r × F mit r = A − O.

Ortsvektor von O nach A

r = A − O = (3, −2, 4) − (2, −3, −2) = (1, 1, 6) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 1·50 − 6·(−30) = 230 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 6·10 − 1·50 = 10 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 1·(−30) − 1·10 = −40 N·m

Gesuchte Komponente

Mz = −40 N·m

Antwort

Mz = −40 N·m
15.Wahrscheinlichkeit

Antwort: σ = 2,408

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.

Mittelwert

μ = 0·0,3 + 2·0,2 + 4·0,2 + 6·0,3 = 3

Mittelwert der Quadrate

E(X²) = 0·0,3 + 4·0,2 + 16·0,2 + 36·0,3 = 14,8

Varianz

Var(X) = 14,8 − 3² = 5,8
σ = √5,8 = 2,408

Antwort

σ = 2,408
16.Wahrscheinlichkeit

Antwort: E(G) = −1 €

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: 5 (p = 0,15), 45 (p = 0,05), −5 (p = 0,8)

Erwartungswert

E(G) = 5·0,15 + 45·0,05 − 5·0,8 = −1 €

Antwort

E(G) = −1 €

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

17.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 13,72

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 = 136/5 = 27,2

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−12,2)² + (−11,2)² + 21,8² + (−0,2)² + 1,8² = 752,8

Standardabweichung

s = √(752,8/4) = 13,72

Antwort

s = 13,72
18.Beschreibende Statistik

Antwort: z = 1,25

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 = (95 − 70)/20 = 1,25

Antwort

z = 1,25
19.Normalverteilung

Antwort: P = 0,2743

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

μ = 200 mm, σ = √(0,3² + 0,4²) = 0,5 mm

Standardisieren

z = (200,3 − 200)/0,5 = 0,6

Oberer Rand

P = 1 − Φ(0,6) = 1 − 0,7257 = 0,2743

Antwort

P = 0,2743
20.Normalverteilung

Antwort: x = 48,6 Punkte

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) = 0,05

z aus der Tabelle

z ≈ −1,64

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 65 − 1,64·10 = 48,6 Punkte

Antwort

x = 48,6 Punkte

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