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→∞ (−3x3 − 5x + 1)/(5x3 + 3x + 5).

f(x) = (−3x3 − 5x + 1)/(5x3 + 3x + 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 = 1

Gegeben ist f(x) = x·sin(2x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(1).

f(x) = x·sin(2x)x = 1 rad
f′(1) =
4.AbleitungenSchwer
xy

Gegeben ist f(x) = x3 + 3x2 − 9x − 5. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Minimums.

f(x) = x3 + 3x2 − 9x − 5
x =
5.IntegraleMittel
xy15

Berechne I = ∫15 1/x dx.

f(x) = 1/x[1, 5]
I =
6.IntegraleSchwer
xyy = 2x2​y = 4x

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = 4x eingeschlossen wird.

y = 2x2y = 4x
A =
7.Komplexe ZahlenMittel
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂w

Gegeben sind z₁ = 5∠−60° und z₂ = 0,5∠80°. Bestimme den Imaginärteil von w = z₁·z₂.

z₁ = 5∠−60°z₂ = 0,5∠80°
Im(w) =
8.Komplexe ZahlenSchwer
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂z₃z₄

Die Lösungen von zⁿ = w mit n = 5 und w = 243∠135° sind zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, …, 4. Bestimme den Imaginärteil von z₃.

w = 243∠135°n = 5k = 3
Im(z₃) =
9.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 1y(1,5) = ?

Löse y″ + 3y′ + 2y = 0 mit y(0) = 1 und y′(0) = -2. Bestimme y(1,5).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 1y′(0) = -2
y(1.5) =
10.DifferentialgleichungenSchwer
xy12(1, −3)y(2) = ?

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

y′ + 2y/x = 1y(1) = −3
y(2) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
A =30−124−3−120

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

A = [3 0 −1; 2 4 −3; −1 2 0]
det A =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =−2662b =−111

Löse das Gleichungssystem −2x + 6y = −1 und 6x + 2y = 11. Bestimme x.

−2x + 6y = −16x + 2y = 11
x =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzdFAB

Eine konstante Kraft F = (15, 25, 20) N wirkt auf einen Körper, während er sich geradlinig von Punkt A(−4, −2, 2) nach Punkt B(2, 5, 1) bewegt. Die Koordinaten sind in Metern angegeben. Bestimme die von der Kraft verrichtete Arbeit W.

F = (15, 25, 20) NA(−4, −2, 2) mB(2, 5, 1) m
W = J
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzab

Der Einheitsvektor n̂ steht senkrecht auf a = (−3, 2, 3) und b = (0, 3, 1) und hat eine positive z-Komponente. Bestimme seine y-Komponente n̂y.

a = (−3, 2, 3)b = (0, 3, 1)n̂z > 0
n̂y =
15.WahrscheinlichkeitMittel
P(mindestens eine Sechs) = ??1?2?3?4P(Sechs) = 1/6 bei jedem Wurf

Ein fairer Würfel wird 4-mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, mindestens eine Sechs zu würfeln?

n = 4
P =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
€p(x)−30,8530,1570,05

Ein Spiel kostet €3 Einsatz. Du gewinnst €6 mit der Wahrscheinlichkeit 0,1 und €60 mit der Wahrscheinlichkeit 0,05; sonst gewinnst du nichts. Der Einsatz wird nicht zurückgegeben. Bestimme den erwarteten Nettogewinn E(G) pro Spiel.

Einsatz = €3€6: p = 0,1€60: p = 0,05
E(G) = €
17.Beschreibende StatistikMittel
10152025303540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 46, 10, 36, 53, 21, 11, 56.

n = 7
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
z −2−1012

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 100 und Standardabweichung 15. Welcher Anteil P der Werte liegt unter 82?

μ = 100σ = 15x = 82
P =
19.NormalverteilungMittel
32 min30,8 minX + Y?

X ist normalverteilt mit dem Mittelwert 12 min und der Standardabweichung 1,5 min; Y ist unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 20 min und der Standardabweichung 2 min. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X + Y größer als 30,8 min ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 12, σX = 1,5μY = 20, σY = 2X + Y > 30,8 min
P =
20.NormalverteilungSchwer
0,04 mm0D − d?

Bohrungsdurchmesser D sind normalverteilt mit dem Mittelwert 25,04 mm und der Standardabweichung 0,02 mm. Wellendurchmesser d sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 25 mm und der Standardabweichung 0,01 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 = 0,02 mmWelle: μ = 25 mm, σ = 0,01 mm
P =

3Lösungen

1.Grenzwerte

Antwort: L = −0,6

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 + (−5)/x2 + 1/x3)/(5 + 3/x2 + 5/x3)

x → ∞ laufen lassen

L = −3/5 = −0,6

Antwort

L = −0,6

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′(1) = 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(2x) + 2x·cos(2x)

Einsetzen

f′(1) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077

Antwort

f′(1) = 0,077
4.Ableitungen

Antwort: x = 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.

Ableitung

f′(x) = 3x2 + 6x − 9 = 3·(x2 + 2x − 3)

f′(x) = 0 lösen

x = −3 oder x = 1

Welches ist welches

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

f″(−3) = −12, f″(1) = 12
x = 1

Antwort

x = 1
5.Integrale

Antwort: I = 1,609

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 5 − ln 1) = ln 5 = 1,609

Antwort

I = 1,609
6.Integrale

Antwort: A = 2,667

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 = 4x → x = 0, x = 2

Obere minus untere integrieren

A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667

Antwort

A = 2,667
7.Komplexe Zahlen

Antwort: Im(w) = 0,8551

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 und Argument von w

|w| = 5 · 0,5 = 2,5
θ = −60° + 80° = 20°

Kartesische Form

Re(w) = 2,5·cos(20°) = 2,349
Im(w) = 2,5·sin(20°) = 0,8551
Im(w) = 0,8551

Antwort

Im(w) = 0,8551
8.Komplexe Zahlen

Antwort: Im(z₃) = −2,673

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.

Betrag der Wurzeln

2431/5 = 3

Argument der Wurzel

θ₃ = (135° + 360°·3)/5 = 243° → −117°

Kartesische Form

z₃ = 3·(cos −117° + j sin −117°) = −1,362 − j2,673
Im(z₃) = −2,673

Antwort

Im(z₃) = −2,673

Die 5 Wurzeln liegen auf dem Kreis mit dem Radius 3, jeweils 72° auseinander.

9.Differentialgleichungen

Antwort: y(1.5) = 0,04979

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 + 1)(r + 2) = 0 → r = −1, −2

Konstanten aus den Anfangswerten

A + B = 1, −1A − 2B = -2
A = 0, B = 1

Auswerten

y(1,5) = 0·e−1,5 + 1·e−3 = 0,04979

Antwort

y(1,5) = 0,04979
10.Differentialgleichungen

Antwort: y(2) = −0,1667

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)′ = x2 → x2y = 1x3/3 + C

Anfangsbedingung

−3 = 1/3 + C → C = −3,333

Auswerten

y(2) = (1·23/3 + (−3,333))/22 = −0,1667

Antwort

y(2) = −0,1667
11.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = 10

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 = 6, M₁₂ = −3, M₁₃ = 8

Laplace-Entwicklung

det A = 3·6 − 0·(−3) + (−1)·8 = 10

Antwort

det A = 10
12.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = 1,7

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.

Determinante der Koeffizientenmatrix

det A = (−2)·2 − 6·6 = −40

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = (−1)·2 − 6·11 = −68
x = −68/(−40) = 1,7

Antwort

x = 1,7
y = 0,4
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: W = 245 J

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.

Weg

d = B − A = (2, 5, 1) − (−4, −2, 2) = (6, 7, −1) m

Arbeit

W = F·d = 15·6 + 25·7 + 20·(−1) = 245 J

Antwort

W = 245 J
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: n̂y = −0,2545

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 = 2·1 − 3·3 = −7
(a × b)y = azbx − axbz = 3·0 − (−3)·1 = 3
(a × b)z = axby − aybx = (−3)·3 − 2·0 = −9

Normieren

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

|a × b| = √((−7)² + 3² + (−9)²) = 11,79
n̂ = −(−7, 3, −9)/11,79 = (0,5937, −0,2545, 0,7634)
n̂y = −0,2545

Antwort

n̂y = −0,2545
15.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,5177

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.

Gegenereignis

P(keine Sechs) = (5/6)4 = 0,4823
P = 1 − 0,4823 = 0,5177

Antwort

P = 0,5177
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: 3 (p = 0,1), 57 (p = 0,05), −3 (p = 0,85)

Erwartungswert

E(G) = 3·0,1 + 57·0,05 − 3·0,85 = 0,6 €

Antwort

E(G) = 0,6 €

Ein positiver Wert bedeutet, dass du im Durchschnitt Geld gewinnst.

17.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 19,42

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 = 233/7 = 33,29

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 12,71² + (−23,29)² + 2,714² + 19,71² + (−12,29)² + (−22,29)² + 22,71² = 2263

Standardabweichung

s = √(2263/6) = 19,42

Antwort

s = 19,42
18.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,1151

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 = −1,2

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(−1,2) = 0,1151
P = 0,1151

Antwort

P = 0,1151
19.Normalverteilung

Antwort: P = 0,6844

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 = 32 min, σ = √(1,5² + 2²) = 2,5 min

Standardisieren

z = (30,8 − 32)/2,5 = −0,48

Oberer Rand

P = 1 − Φ(−0,48) = 1 − 0,3156 = 0,6844

Antwort

P = 0,6844
20.Normalverteilung

Antwort: P = 0,9633

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 = 0,02236 mm

Standardisieren

z = (0 − 0,04)/0,02236 = −1,79

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−1,79) = 0,9633

Antwort

P = 0,9633

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