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→∞ (√(x2 − 6x) − x).
f(x) = √(x2 − 6x) − xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (1 − cos 3x)/(2x²), mit x im Bogenmaß.
f(x) = (1 − cos 3x)/(2x²)x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x3·e−0,5x. Bestimme f′(1,5).
f(x) = x3·e−0,5xx = 1,5
f′(1.5) =
4.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 − 9x2 + 15x − 3. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Maximums.
f(x) = x3 − 9x2 + 15x − 3
x =
5.IntegraleMittel
Berechne I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
6.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = 3x eingeschlossen wird.
y = 2x2y = 3x
A =
7.Komplexe ZahlenMittel
Schreibe z = 6∠−155° in kartesischer Form a + jb und gib den Realteil a an.
r = 6θ = −155°
a =
8.Komplexe ZahlenSchwer
Eine Lösung von z³ − 2z² − 3z + 10 = 0 ist z₁ = 2 + j. Die Koeffizienten sind reell. Bestimme die reelle Lösung r.
z₁ = 2 + j
r =
9.DifferentialgleichungenMittel
Löse y″ + 6y′ + 9y = 0 mit y(0) = 5 und y′(0) = -2. Bestimme y(2).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(2) =
10.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + y′ + 16,25y = 81,25 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme y(0,75); Winkel im Bogenmaß.
y″ + y′ + 16,25y = 81,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
Bestimme die Determinante det A der gezeigten 3×3-Matrix A.
A = [2 −5 −2; −5 5 −2; 0 5 −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
Eine konstante Kraft F = (0, −5, 25) N wirkt auf einen Körper, während er sich geradlinig von Punkt A(1, −2, 5) nach Punkt B(−4, 4, 4) bewegt. Die Koordinaten sind in Metern angegeben. Bestimme die von der Kraft verrichtete Arbeit W.
F = (0, −5, 25) NA(1, −2, 5) mB(−4, 4, 4) m
W = J
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
Der Einheitsvektor n̂ steht senkrecht auf a = (4, 0, −4) und b = (−2, 4, −3) und hat eine positive z-Komponente. Bestimme seine y-Komponente n̂y.
a = (4, 0, −4)b = (−2, 4, −3)n̂z > 0
n̂y =
15.WahrscheinlichkeitMittel
Ein fairer Würfel wird 7-mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, mindestens eine Sechs zu würfeln?
n = 7
P =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
Ein Test hat 8 Multiple-Choice-Fragen. Eine Studentin, die rät, beantwortet jede unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,1 richtig. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P für genau 1 richtige Antworten?
n = 8p = 0,1k = 1
P =
17.Beschreibende StatistikMittel
Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 14, 19, 26, 18, 26.
n = 5
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 50 und Standardabweichung 8. Welcher Anteil P der Werte liegt unter 40,4?
μ = 50σ = 8x = 40,4
P =
19.NormalverteilungMittel
Ziehe z so, dass die schattierte Fläche zwischen −z und z unter der Standardnormalverteilung gleich 0,3829 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.
A = 0,3829
z =
20.NormalverteilungSchwer
Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Bestimme den Wert x, unter dem 95 % von ihnen liegen (das 95. Perzentil).
μ = 500σ = 40P = 95%
x = h
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).
Mit der Konjugierten erweitern
f(x) = −6x/(√(x2 − 6x) + x)
Durch x teilen
f(x) = −6/(√(1 + (−6)/x) + 1)
x → ∞ laufen lassen
L = −6/(1 + 1) = −3
Antwort
L = −3
2.Grenzwerte
Antwort: L = 2,25
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·sin 3x/(4x) → 0/0
Zweite Anwendung
9·cos 3x/4
x = 0 einsetzen
L = 9/4 = 2,25
Antwort
L = 2,25
3.Ableitungen
Antwort: f′(1.5) = 2,391
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′ = e−0,5x·(3x2 + (−0,5)·x3)
Einsetzen
f′(1,5) = 0,4724·(6,75 + (−1,688)) = 2,391
Antwort
f′(1,5) = 2,391
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 − 18x + 15 = 3·(x2 − 6x + 5)
f′(x) = 0 lösen
x = 1 oder x = 5
Welches ist welches
f″(x) = 6x − 18: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(1) = −12, f″(5) = 12
x = 1
Antwort
x = 1
5.Integrale
Antwort: I = 156
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.
Substitution
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u3 du
Integrieren und auswerten
I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156
Antwort
I = 156
6.Integrale
Antwort: A = 1,125
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 = 3x → x = 0, x = 1,5
Obere minus untere integrieren
A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125
Antwort
A = 1,125
7.Komplexe Zahlen
Antwort: a = −5,438
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 = 6·cos(−155°) = −5,438
b = 6·sin(−155°) = −2,536
Kartesische Form
z = −5,438 − j2,536
a = −5,438
Antwort
a = −5,438
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.
Kontrolliere mit der Summe der Lösungen: z₁ + z₂ + r = 4 + (−2) = 2 = −(−2).
9.Differentialgleichungen
Antwort: y(2) = 0,07684
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.
Doppelte Wurzel
(r + 3)² = 0 → r = −3
Konstanten
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = -2 + 15 = 13
Auswerten
y(2) = (5 + 13·2)·e−6 = 0,07684
Antwort
y(2) = 0,07684
10.Differentialgleichungen
Antwort: y(0.75) = 8,341
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 = 5, M₁₂ = 5, M₁₃ = −25
Laplace-Entwicklung
det A = 2·5 − (−5)·5 + (−2)·(−25) = 85
Antwort
det A = 85
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: W = −55 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 = (−4, 4, 4) − (1, −2, 5) = (−5, 6, −1) m
Arbeit
W = F·d = 0·(−5) + (−5)·6 + 25·(−1) = −55 J
Antwort
W = −55 J
Negative Arbeit: Die Kraft wirkt überwiegend entgegen der Bewegung.
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: n̂y = 0,6623
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 = 0·(−3) − (−4)·4 = 16
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·(−2) − 4·(−3) = 20
(a × b)z = axby − aybx = 4·4 − 0·(−2) = 16
Normieren
Die z-Komponente von a × b ist bereits positiv.
|a × b| = √(16² + 20² + 16²) = 30,2
n̂ = (16, 20, 16)/30,2 = (0,5298, 0,6623, 0,5298)
n̂y = 0,6623
Antwort
n̂y = 0,6623
15.Wahrscheinlichkeit
Antwort: P = 0,7209
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)7 = 0,2791
P = 1 − 0,2791 = 0,7209
Antwort
P = 0,7209
16.Wahrscheinlichkeit
Antwort: P = 0,3826
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.
Binomialformel
P(X = 1) = 8·0,11·0,97 = 8·0,1·0,4783 = 0,3826
Antwort
P = 0,3826
17.Beschreibende Statistik
Antwort: s = 5,273
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 = −1,2
Standardnormalverteilungstabelle
Φ(−1,2) = 0,1151
P = 0,1151
Antwort
P = 0,1151
19.Normalverteilung
Antwort: z = 0,5
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 + 0,3829)/2 = 0,6915
Die z-Tabelle rückwärts lesen
Finde 0,6915 in der Tabelle und lies z ab.
z = 0,50
Antwort
z = 0,50
20.Normalverteilung
Antwort: x = 565,8 h
Normalverteilung: Rechne einen Wert x in einen z-Wert um, z = (x − μ)/σ; er gibt an, wie viele Standardabweichungen x vom Mittelwert entfernt liegt. Eine z-Tabelle (oder Φ(z)) liefert die Fläche links von z, also P(X < x). Die Fläche rechts ist 1 − Φ(z), und die Fläche zwischen zwei Werten ist die Differenz ihrer beiden Flächen.