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 − 3x + 8)/(5x2 + 6x + 8).
f(x) = (−x2 − 3x + 8)/(5x2 + 6x + 8)x → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (e1,5x − 1 − 1,5x)/x².
f(x) = (e1,5x − 1 − 1,5x)/x²x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·sin(3x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(0,5).
f(x) = x·sin(3x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
4.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 − 10,5x2 + 30x − 3. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Maximums.
f(x) = x3 − 10,5x2 + 30x − 3
x =
5.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₀π/3 x·sin x dx (x im Bogenmaß).
∫₀π/3 x·sin x dx
I =
6.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = x2 und y = 3x eingeschlossen wird.
y = x2y = 3x
A =
7.Komplexe ZahlenMittel
Schreibe z = 4∠125° in kartesischer Form a + jb und gib den Realteil a an.
r = 4θ = 125°
a =
8.Komplexe ZahlenSchwer
Die Lösungen von zⁿ = w mit n = 5 und w = 32∠180° sind zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, …, 4. Bestimme das Argument von z₀ in Grad, zwischen −180° und 180°.
w = 32∠180°n = 5k = 0
θ₀ = °
9.DifferentialgleichungenMittel
Eine Getränkedose mit 5 °C wird aus dem Kühlschrank in einen Raum mit 26 °C gebracht. Nach 24 min beträgt die Temperatur 18 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.
T0 = 5 °CTa = 26 °CT(24) = 18 °C
k = min⁻¹
10.DifferentialgleichungenSchwer
Löse das Anfangswertproblem y′ + 2y/x = 4 für x > 0 mit y(1) = 4. Bestimme y(3).
y′ + 2y/x = 4y(1) = 4
y(3) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c22 (Zeile 2, Spalte 2).
A = [4 0; −1 6]B = [−1 −4; 4 2]
c22 =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
Löse das Gleichungssystem 2x + 5y = 8 und −3x − y = −8. Bestimme x.
2x + 5y = 8−3x − y = −8
x =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
Bestimme das Skalarprodukt a·b von a = (−2, 0, −2) und b = (−4, −1, −6).
a = (−2, 0, −2)b = (−4, −1, −6)
a·b =
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
Bestimme die Fläche A des Parallelogramms, das von a = (−4, 4, 1) und b = (2, 1, −2) aufgespannt wird.
a = (−4, 4, 1)b = (2, 1, −2)
A =
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 = 10X + 1. Bestimme die Standardabweichung σY von Y.
Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 27, 51, 45, 15, 32, 35, 40.
n = 7
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 500 und Standardabweichung 50. Welcher Anteil P der Werte liegt über 520?
μ = 500σ = 50x = 520
P =
19.NormalverteilungMittel
X ist normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 4 g; Y ist unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 500 g und der Standardabweichung 9 g. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X + Y größer als 757,9 g ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.
μX = 250, σX = 4μY = 500, σY = 9X + Y > 757,9 g
P =
20.NormalverteilungSchwer
Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Bestimme den Wert x, unter dem 90 % von ihnen liegen (das 90. Perzentil).
μ = 65σ = 10P = 90%
x = Punkte
3Lösungen
1.Grenzwerte
Antwort: L = −0,2
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).
Durch die höchste Potenz teilen
(−1 + (−3)/x + 8/x2)/(5 + 6/x + 8/x2)
x → ∞ laufen lassen
L = −1/5 = −0,2
Antwort
L = −0,2
Bei gleichem Grad ist der Grenzwert das Verhältnis der Leitkoeffizienten.
2.Grenzwerte
Antwort: L = 1,125
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
(1,5·e1,5x − 1,5)/(2x) → 0/0
Zweite Anwendung
2,25·e1,5x/2
x = 0 einsetzen
L = 2,25·1/2 = 1,125
Antwort
L = 1,125
3.Ableitungen
Antwort: f′(0.5) = 1,104
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(3x) + 3x·cos(3x)
Einsetzen
f′(0,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104
Antwort
f′(0,5) = 1,104
4.Ableitungen
Antwort: x = 2
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 − 21x + 30 = 3·(x2 − 7x + 10)
f′(x) = 0 lösen
x = 2 oder x = 5
Welches ist welches
f″(x) = 6x − 21: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(2) = −9, f″(5) = 9
x = 2
Antwort
x = 2
5.Integrale
Antwort: I = 0,3424
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 = sin x dx, v = −cos x
Stammfunktion
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Grenzwerte
(−π/3·cos π/3 + sin π/3) − (0 + 0) = 0,3424
Antwort
I = 0,3424
6.Integrale
Antwort: A = 4,5
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
x2 = 3x → x = 0, x = 3
Obere minus untere integrieren
A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5
Antwort
A = 4,5
7.Komplexe Zahlen
Antwort: a = −2,294
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 = 4·cos(125°) = −2,294
b = 4·sin(125°) = 3,277
Kartesische Form
z = −2,294 + j3,277
a = −2,294
Antwort
a = −2,294
8.Komplexe Zahlen
Antwort: θ₀ = 36 °
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
321/5 = 2
Argument der Wurzel
θ₀ = (180° + 360°·0)/5 = 36°
Argument
θ₀ = 36°
Antwort
θ₀ = 36°
Die 5 Wurzeln liegen auf dem Kreis mit dem Radius 2, jeweils 72° auseinander.
9.Differentialgleichungen
Antwort: k = 0,04021 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−24k = -8/-21
Nach k auflösen
k = ln(-21/-8)/24 = 0,04021 min⁻¹
Antwort
k = 0,04021 min⁻¹
10.Differentialgleichungen
Antwort: y(3) = 4,296
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)′ = 4x2 → x2y = 4x3/3 + C
Anfangsbedingung
4 = 4/3 + C → C = 2,667
Auswerten
y(3) = (4·33/3 + 2,667)/32 = 4,296
Antwort
y(3) = 4,296
11.Matrizen & Determinanten
Antwort: c22 = 16
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
c22 = (−1)·(−4) + 6·2 = 16
Antwort
c22 = 16
12.Matrizen & Determinanten
Antwort: x = 2,462
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·(−1) − 5·(−3) = 13
Die x-Spalte ersetzen
det Aₓ = 8·(−1) − 5·(−8) = 32
x = 32/13 = 2,462
Antwort
x = 2,462
y = 0,6154
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: a·b = 20
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
Positiv: Der Winkel zwischen den Vektoren ist kleiner als 90°.
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: A = 16,16
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 = 4·(−2) − 1·1 = −9
(a × b)y = azbx − axbz = 1·2 − (−4)·(−2) = −6
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·1 − 4·2 = −12
Fläche
A = |a × b| = √((−9)² + (−6)² + (−12)²) = 16,16
Antwort
A = 16,16
15.Wahrscheinlichkeit
Antwort: P = 0,3056
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 = 18,41
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 = 3,9, Var(X) = 3,39, σX = 1,841
Lineare Änderung
σY = |10|·1,841 = 18,41
Antwort
σY = 18,41
Der Mittelwert verschiebt sich sehr wohl: E(Y) = 10·3,9 + 1 = 40.
17.Beschreibende Statistik
Antwort: s = 11,93
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 = 0,4
Standardnormalverteilungstabelle
Φ(0,4) = 0,6554
P = 1 − 0,6554 = 0,3446
Antwort
P = 0,3446
19.Normalverteilung
Antwort: P = 0,2119
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 = 750 g, σ = √(4² + 9²) = 9,849 g
Standardisieren
z = (757,9 − 750)/9,849 = 0,8
Oberer Rand
P = 1 − Φ(0,8) = 1 − 0,7881 = 0,2119
Antwort
P = 0,2119
20.Normalverteilung
Antwort: x = 77,82 Punkte
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.