Entscheide, welche Form zur Operation passt: kartesisch a + jb zum Addieren und Subtrahieren, polar r∠θ zum Multiplizieren, Dividieren, Potenzieren und Wurzelziehen.
Multipliziere mit j² = −1 aus; dividiere, indem du Zähler und Nenner mit der konjugiert komplexen Zahl des Nenners multiplizierst.
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.
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
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.
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
Rechne den Wert in einen z-Wert um: z = (x − μ)/σ.
Lies Φ(z) ab, die Fläche links von z.
Für die Fläche rechts verwende 1 − Φ(z); für ein Intervall subtrahiere die beiden linken Flächen.
Für ein Perzentil rechnest du rückwärts: Bestimme z zur Fläche, dann x = μ + z·σ.
2Übungsaufgaben
1.GrenzwerteMittel
Bestimme den Grenzwert L = limx→∞ (1 + 0,5/x)2x. Gib einen Dezimalwert an.
f(x) = (1 + 0,5/x)2xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (1 − cos 4x)/(2x²), mit x im Bogenmaß.
f(x) = (1 − cos 4x)/(2x²)x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x2·ex. Bestimme f′(1).
f(x) = x2·exx = 1
f′(1) =
4.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 − 4,5x2 − 2. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Minimums.
f(x) = x3 − 4,5x2 − 2
x =
5.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₀π/2 x·cos x dx (x im Bogenmaß).
∫₀π/2 x·cos x dx
I =
6.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 0,5x2 und y = 4x eingeschlossen wird.
y = 0,5x2y = 4x
A =
7.Komplexe ZahlenMittel
Bestimme das Argument θ von z = −8 + j9 in Grad als Hauptwert zwischen −180° und 180°.
z = −8 + j9
θ = °
8.Komplexe ZahlenSchwer
Genau einer der Punkte A–D ist eine Lösung von z⁶ = 729∠120°. Klicke ihn an.
w = 729∠120°n = 6
1A (3∠−100°)
2B (5,4∠−100°)
3C (3∠120°)
4D (3∠−70°)
9.DifferentialgleichungenMittel
Löse y″ + 3y′ + 2y = 0 mit y(0) = 1 und y′(0) = 2. Bestimme y(0,5).
y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 1y′(0) = 2
y(0.5) =
10.DifferentialgleichungenSchwer
Löse y″ + 2y′ + 26y = 0 mit y(0) = 1 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(0,75); Winkel im Bogenmaß.
y″ + 2y′ + 26y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.75) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
Bestimme die Determinante det A der gezeigten 3×3-Matrix A.
A = [−3 3 3; 5 −3 −5; −5 1 1]
det A =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.
A = [3 −1; −1 3]
λ =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
Bestimme das Skalarprodukt a·b von a = (3, −4, 6) und b = (6, 2, 1).
a = (3, −4, 6)b = (6, 2, 1)
a·b =
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
Der Einheitsvektor n̂ steht senkrecht auf a = (2, −2, 4) und b = (2, 2, −1) und hat eine positive z-Komponente. Bestimme seine y-Komponente n̂y.
a = (2, −2, 4)b = (2, 2, −1)n̂z > 0
n̂y =
15.WahrscheinlichkeitMittel
Ein fairer Würfel wird 2-mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, mindestens eine Sechs zu würfeln?
n = 2
P =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
X hat die gezeigte Verteilung, und Y = 5X + 5. Bestimme die Standardabweichung σY von Y.
Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 13, 29, 54, 22, 56, 13.
n = 6
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 60 und Standardabweichung 12. Welcher Anteil P der Werte liegt über 75?
μ = 60σ = 12x = 75
P =
19.NormalverteilungMittel
Ziehe z so, dass die schattierte Fläche zwischen −z und z unter der Standardnormalverteilung gleich 0,7813 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.
A = 0,7813
z =
20.NormalverteilungSchwer
Die Rundenzeit X von Läufer A und die Rundenzeit Y von Läufer B sind unabhängig und normalverteilt: X hat den Mittelwert 52 s und die Standardabweichung 4 s, Y hat den Mittelwert 48 s und die Standardabweichung 3 s. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X größer als Y ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.
μX = 52 s, σX = 4 sμY = 48 s, σY = 3 s
P =
3Lösungen
1.Grenzwerte
Antwort: L = 2,718
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 + 0,5/x)
Auswerten
ln(1 + u)/u → 1 für u → 0, also x·ln(1 + a/x) → a.
ln L = 2·0,5 = 1
Den Logarithmus rückgängig machen
L = e1 = 2,718
Antwort
L = 2,718
2.Grenzwerte
Antwort: L = 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).
Erste Anwendung
4·sin 4x/(4x) → 0/0
Zweite Anwendung
16·cos 4x/4
x = 0 einsetzen
L = 16/4 = 4
Antwort
L = 4
3.Ableitungen
Antwort: f′(1) = 8,155
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.
Produktregel
f′(x) = u′v + uv′ = ex·(2x + 1·x2)
Einsetzen
f′(1) = 2,718·(2 + 1) = 8,155
Antwort
f′(1) = 8,155
4.Ableitungen
Antwort: x = 3
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 − 9x = 3·(x2 − 3x)
f′(x) = 0 lösen
x = 0 oder x = 3
Welches ist welches
f″(x) = 6x − 9: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(0) = −9, f″(3) = 9
x = 3
Antwort
x = 3
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: A = 42,67
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
0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8
Obere minus untere integrieren
A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67
Antwort
A = 42,67
7.Komplexe Zahlen
Antwort: θ = 131,6 °
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 = −8, b = 9 → II
Bezugswinkel
α = atan(9/8) = 48,37°
Argument
θ = 180° − α = 131,6°
Antwort
θ = 131,6°
In Polarform ist z = 12,04∠131,6°.
8.Komplexe Zahlen
Antwort: A (3∠−100°)
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 und Argumente der Lösungen
|z| = 3
θ = 20°, 80°, 140°, −160°, −100°, −40°
Der Punkt
A = 3∠−100°
Antwort
A (3∠−100°)
9.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.5) = 1,322
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 = 4, B = −3
Auswerten
y(0,5) = 4·e−0,5 + (−3)·e−1 = 1,322
Antwort
y(0,5) = 1,322
10.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.75) = −0,4416
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.
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 = 2, M₁₂ = −20, M₁₃ = −10
Laplace-Entwicklung
det A = (−3)·2 − 3·(−20) + 3·(−10) = 24
Antwort
det A = 24
12.Matrizen & Determinanten
Antwort: λ = 4
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.
Charakteristische Gleichung
λ² − (6)λ + (8) = 0
Lösen
λ = (6 ± √(4))/2 → λ = 2, 4
λ = 4
Antwort
λ = 4
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: a·b = 16
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.
Entsprechende Komponenten multiplizieren und addieren
a·b = 3·6 + (−4)·2 + 6·1 = 18 + (−8) + 6 = 16
Antwort
a·b = 16
Positiv: Der Winkel zwischen den Vektoren ist kleiner als 90°.
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: n̂y = 0,7071
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.
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)2 = 0,6944
P = 1 − 0,6944 = 0,3056
Antwort
P = 0,3056
16.Wahrscheinlichkeit
Antwort: σY = 62,2
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.
Streuung von X
μ = 25,5, Var(X) = 154,8, σX = 12,44
Lineare Änderung
σY = |5|·12,44 = 62,2
Antwort
σY = 62,2
Der Mittelwert verschiebt sich sehr wohl: E(Y) = 5·25,5 + 5 = 132,5.
17.Beschreibende Statistik
Antwort: s = 19,43
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.
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 = 1,25
Standardnormalverteilungstabelle
Φ(1,25) = 0,8944
P = 1 − 0,8944 = 0,1056
Antwort
P = 0,1056
19.Normalverteilung
Antwort: z = 1,23
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 + 0,7813)/2 = 0,8907
Die z-Tabelle rückwärts lesen
Finde 0,8907 in der Tabelle und lies z ab.
z = 1,23
Antwort
z = 1,23
20.Normalverteilung
Antwort: P = 0,7881
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.