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→∞ (−3x2 + 6x − 1)/(x2 + 2x + 1).
f(x) = (−3x2 + 6x − 1)/(x2 + 2x + 1)x → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (e2x − 1 − 2x)/x².
f(x) = (e2x − 1 − 2x)/x²x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = ln(3x2 + 2). Bestimme f′(2).
f(x) = ln(3x2 + 2)x = 2
f′(2) =
4.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = −x2 + 5x − 5 bei x = −1 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = −x2 + 5x − 5x = −1
b =
5.IntegraleMittel
Berechne I = ∫02 e2x dx.
f(x) = e2x[0, 2]
I =
6.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 9 − x² und der x-Achse.
y = 9 − x²
A =
7.Komplexe ZahlenMittel
Schreibe z = 10∠125° in kartesischer Form a + jb und gib den Realteil a an.
r = 10θ = 125°
a =
8.Komplexe ZahlenSchwer
Genau einer der Punkte A–D ist eine Lösung von z³ = 8∠60°. Klicke ihn an.
w = 8∠60°n = 3
1A (3,6∠80°)
2B (2∠20°)
3C (2∠50°)
4D (2∠−20°)
9.DifferentialgleichungenMittel
Eine Tasse Kaffee mit 86 °C steht in einem Raum mit 24 °C. Nach 12 min beträgt die Temperatur 67 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.
T0 = 86 °CTa = 24 °CT(12) = 67 °C
k = min⁻¹
10.DifferentialgleichungenSchwer
Löse y″ + 2y′ + 10y = 0 mit y(0) = 2 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(1,5); Winkel im Bogenmaß.
y″ + 2y′ + 10y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c11 (Zeile 1, Spalte 1).
A = [0 3; 6 3]B = [−3 −4; −1 6]
c11 =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.
A = [1 1; 2 2]
λ =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
Bestimme das Skalarprodukt a·b von a = (6, −7, 1) und b = (−4, 5, 7).
a = (6, −7, 1)b = (−4, 5, 7)
a·b =
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
Bestimme für a = (1, 4, −5) und b = (−4, −1, −4) die x-Komponente (a × b)x des Kreuzprodukts a × b.
a = (1, 4, −5)b = (−4, −1, −4)
(a × b)x =
15.WahrscheinlichkeitMittel
Bestimme für die gezeigte Verteilung die Varianz Var(X) von X.
x: 1, 2, 3, 4p(x): 0,3, 0,35, 0,25, 0,1
Var(X) =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
Ein Test hat 12 Multiple-Choice-Fragen. Eine Studentin, die rät, beantwortet jede unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,25 richtig. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P für genau 1 richtige Antworten?
n = 12p = 0,25k = 1
P =
17.Beschreibende StatistikMittel
Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 48, 52, 23, 13, 45, 21, 37.
n = 7
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 500 und Standardabweichung 75. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 387,5.
μ = 500σ = 75x = 387,5
z =
19.NormalverteilungMittel
Ziehe z so, dass die schattierte Fläche unter der Standardnormalverteilung rechts von z gleich 0,9761 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.
A = 0,9761
z =
20.NormalverteilungSchwer
Bohrungsdurchmesser D sind normalverteilt mit dem Mittelwert 25,02 mm und der Standardabweichung 0,01 mm. Wellendurchmesser d sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 25 mm und der Standardabweichung 0,02 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 = 25,02 mm, σ = 0,01 mmWelle: μ = 25 mm, σ = 0,02 mm
P =
3Lösungen
1.Grenzwerte
Antwort: L = −3
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 + 6/x + (−1)/x2)/(1 + 2/x + 1/x2)
x → ∞ laufen lassen
L = −3/1 = −3
Antwort
L = −3
Bei gleichem Grad ist der Grenzwert das Verhältnis der Leitkoeffizienten.
2.Grenzwerte
Antwort: L = 2
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
(2·e2x − 2)/(2x) → 0/0
Zweite Anwendung
4·e2x/2
x = 0 einsetzen
L = 4·1/2 = 2
Antwort
L = 2
3.Ableitungen
Antwort: f′(2) = 0,8571
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) = 6x/(3x2 + 2)
Einsetzen
f′(2) = 12/14 = 0,8571
Antwort
f′(2) = 0,8571
4.Ableitungen
Antwort: b = −4
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) = −11
f′(x) = −2x + 5 → f′(−1) = 7
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −11 − 7·(−1) = −4
Antwort
b = −4
5.Integrale
Antwort: I = 26,8
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) = e2x/2
An den Grenzen auswerten
I = (e4 − 1)/2 = (54,6 − 1)/2 = 26,8
Antwort
I = 26,8
6.Integrale
Antwort: A = 36
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.
Nullstellen
9 − x² = 0 → x = ±3
Integrieren
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Antwort
A = 36
7.Komplexe Zahlen
Antwort: a = −5,736
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 = 10·cos(125°) = −5,736
b = 10·sin(125°) = 8,192
Kartesische Form
z = −5,736 + j8,192
a = −5,736
Antwort
a = −5,736
8.Komplexe Zahlen
Antwort: B (2∠20°)
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| = 2
θ = 20°, 140°, −100°
Der Punkt
B = 2∠20°
Antwort
B (2∠20°)
9.Differentialgleichungen
Antwort: k = 0,03049 min⁻¹
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.
Verhältnis der Temperaturdifferenzen
e−12k = 43/62
Nach k auflösen
k = ln(62/43)/12 = 0,03049 min⁻¹
Antwort
k = 0,03049 min⁻¹
10.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = −0,2395
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.
Zeile mal Spalte
c11 = 0·(−3) + 3·(−1) = −3
Antwort
c11 = −3
12.Matrizen & Determinanten
Antwort: λ = 3
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 − (3)λ + (0) = 0
Lösen
λ = (3 ± √(9))/2 → λ = 0, 3
λ = 3
Antwort
λ = 3
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: a·b = −52
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.
Entsprechende Komponenten multiplizieren und addieren
Negativ: Der Winkel zwischen den Vektoren ist größer als 90°.
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: (a × b)x = −21
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.
Kreuzprodukt, Komponente für Komponente
(a × b)x = aybz − azby = 4·(−4) − (−5)·(−1) = −21
(a × b)y = azbx − axbz = (−5)·(−4) − 1·(−4) = 24
(a × b)z = axby − aybx = 1·(−1) − 4·(−4) = 15
Gesuchte Komponente
(a × b)x = −21
Antwort
(a × b)x = −21
Kontrolle: a × b steht senkrecht auf beiden Vektoren, sein Skalarprodukt mit a und mit b ist also null.
15.Wahrscheinlichkeit
Antwort: Var(X) = 0,9275
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 = 1·0,3 + 2·0,35 + 3·0,25 + 4·0,1 = 2,15
Mittelwert der Quadrate
E(X²) = 1·0,3 + 4·0,35 + 9·0,25 + 16·0,1 = 5,55
Varianz
Var(X) = 5,55 − 2,15² = 0,9275
Antwort
Var(X) = 0,9275
16.Wahrscheinlichkeit
Antwort: P = 0,1267
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.
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 = (387,5 − 500)/75 = −1,5
Antwort
z = −1,5
19.Normalverteilung
Antwort: z = −1,98
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 − 0,9761 = 0,0239
Die z-Tabelle rückwärts lesen
Finde 0,0239 in der Tabelle und lies z ab.
z = −1,98
Antwort
z = −1,98
20.Normalverteilung
Antwort: P = 0,8133
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.