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→∞ (4x2 − 2x − 7)/(5x2 + 5x + 3).

f(x) = (4x2 − 2x − 7)/(5x2 + 5x + 3)x → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
xyx = 0

Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (1 − cos 4x)/(x²), mit x im Bogenmaß.

f(x) = (1 − cos 4x)/(x²)x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
xyx = 1

Gegeben ist f(x) = ln(2x2 + 2). Bestimme f′(1).

f(x) = ln(2x2 + 2)x = 1
f′(1) =
4.AbleitungenSchwer
xyx = −2

Die Tangente an f(x) = 2x2 + 4x bei x = −2 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.

f(x) = 2x2 + 4xx = −2
b =
5.IntegraleMittel
xy2y = 2x

Das Gebiet unter y = 2x von x = 0 bis x = 2 wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers (ein Kegel).

y = 2x0 ≤ x ≤ 2
V =
6.IntegraleSchwer
xyy = 0,5x2​y = 3x

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 0,5x2 und y = 3x eingeschlossen wird.

y = 0,5x2y = 3x
A =
7.Komplexe ZahlenMittel
ReIm22−2−244−4−4θz

Schreibe z = 4∠−115° in kartesischer Form a + jb und gib den Realteil a an.

r = 4θ = −115°
a =
8.Komplexe ZahlenSchwer
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂

Die Gleichung z² + 3z + 11,25 = 0 hat zwei komplexe Lösungen. Bestimme ihren Betrag |z|.

p = 3q = 11,25
|z| =
9.DifferentialgleichungenMittel
t (min)T (°C)23Ta​26 °C

Eine Tasse Kaffee mit 80 °C steht in einem Raum mit 21 °C. Nach 23 min beträgt die Temperatur 26 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.

T0 = 80 °CTa = 21 °CT(23) = 26 °C
k = min⁻¹
10.DifferentialgleichungenSchwer
t (min)m (kg)55 minm = ?

Ein Behälter enthält 200 L reines Wasser. Salzlösung mit 0,25 kg Salz pro Liter fließt mit 5 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Wie viel Salz m ist nach 55 min im Behälter?

V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,25 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
11.Matrizen & DeterminantenMittel
A =421−5B =−125−6

Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c21 (Zeile 2, Spalte 1).

A = [4 2; 1 −5]B = [−1 2; 5 −6]
c21 =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =−34−56

Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.

A = [−3 4; −5 6]
λ =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme die skalare Projektion compb a von a = (−5, −2, −2) auf b = (4, −3, −6), also die Komponente von a in Richtung von b.

a = (−5, −2, −2)b = (4, −3, −6)
compb a =
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzabc

Bestimme das Volumen V des Spats (Parallelepipeds), dessen Kanten von einer Ecke aus a = (−1, −1, 0), b = (4, −1, −5) und c = (5, 5, 4) sind.

a = (−1, −1, 0)b = (4, −1, −5)c = (5, 5, 4)
V =
15.WahrscheinlichkeitMittel
xp(x)00,3510,320,35μ = 1

Bestimme für die gezeigte Verteilung die Standardabweichung σ von X.

x: 0, 1, 2p(x): 0,35, 0,3, 0,35
σ =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
n = 5, p = 0,3: P(X = 1) = ?k012345

Ein Test hat 5 Multiple-Choice-Fragen. Eine Studentin, die rät, beantwortet jede unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,3 richtig. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P für genau 1 richtige Antworten?

n = 5p = 0,3k = 1
P =
17.Beschreibende StatistikMittel
10152025303540455055

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 45, 55, 10, 14, 46.

n = 5
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
z −2−1012

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 50 und Standardabweichung 12. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 57,2.

μ = 50σ = 12x = 57,2
z =
19.NormalverteilungMittel
2036,8P = ?

Die Lieferzeiten sind normalverteilt mit dem Mittelwert 32 min und der Standardabweichung 6 min. Welcher Anteil liegt zwischen 20 und 36,8 min? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 32σ = 6x1 = 20x2 = 36,8
P =
20.NormalverteilungSchwer
μ = 178x = ?25%

Die Körpergrößen erwachsener Männer sind normalverteilt mit dem Mittelwert 178 cm und der Standardabweichung 7 cm. Bestimme den Wert x, unter dem 25 % von ihnen liegen (das 25. Perzentil).

μ = 178σ = 7P = 25%
x = cm

3Lösungen

1.Grenzwerte

Antwort: L = 0,8

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

(4 + (−2)/x + (−7)/x2)/(5 + 5/x + 3/x2)

x → ∞ laufen lassen

L = 4/5 = 0,8

Antwort

L = 0,8

Bei gleichem Grad ist der Grenzwert das Verhältnis der Leitkoeffizienten.

2.Grenzwerte

Antwort: L = 8

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/(2x) → 0/0

Zweite Anwendung

16·cos 4x/2

x = 0 einsetzen

L = 16/2 = 8

Antwort

L = 8
3.Ableitungen

Antwort: f′(1) = 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.

Kettenregel für den Logarithmus

f′(x) = 4x/(2x2 + 2)

Einsetzen

f′(1) = 4/4 = 1

Antwort

f′(1) = 1
4.Ableitungen

Antwort: b = −8

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(−2) = 0
f′(x) = 4x + 4 → f′(−2) = −4

Tangente bei x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0 − (−4)·(−2) = −8

Antwort

b = −8
5.Integrale

Antwort: V = 33,51

Rotationsvolumen: Dreht man das Gebiet unter y = f(x) von x = a bis x = b um die x-Achse, entsteht ein Körper, dessen Querschnitt bei x eine Kreisscheibe mit Radius f(x) ist. Die Summe der Scheiben ergibt V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Liegt das Gebiet zwischen einer äußeren Kurve R(x) und einer inneren Kurve r(x), ist jede Scheibe ein Ring: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Quadriere die Radien, bevor du sie subtrahierst.

Scheibenmethode

V = π∫₀2 4x² dx

Integrieren

V = π·4·2³/3 = 33,51

Antwort

V = 33,51

Kontrolle: Ein Kegel mit dem Radius 4 und der Höhe 2 hat (1/3)πr²h = 33,51.

6.Integrale

Antwort: A = 18

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 = 3x → x = 0, x = 6

Obere minus untere integrieren

A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18

Antwort

A = 18
7.Komplexe Zahlen

Antwort: a = −1,69

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(−115°) = −1,69
b = 4·sin(−115°) = −3,625

Kartesische Form

z = −1,69 − j3,625
a = −1,69

Antwort

a = −1,69
8.Komplexe Zahlen

Antwort: |z| = 3,354

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.

Diskriminante

p² − 4q = 9 − 45 = −36 < 0

Lösungsformel

z = (−3 ± j√36)/2 = −1,5 + j3, −1,5 − j3

Antwort

|z| = √((−1,5)² + 3²) = √11,25 = 3,354

Antwort

|z| = 3,354
9.Differentialgleichungen

Antwort: k = 0,1073 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−23k = 5/59

Nach k auflösen

k = ln(59/5)/23 = 0,1073 min⁻¹

Antwort

k = 0,1073 min⁻¹
10.Differentialgleichungen

Antwort: m = 37,36 kg

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.

Die Gleichung aufstellen

dm/dt = 5·0,25 − (5/200)·m = 1,25 − 0,025·m

Lösen

Der integrierende Faktor ist ert/V; die Lösung nähert sich dem Gleichgewicht c·V.

m(t) = 50 + (−50)·e−t/40

t einsetzen

m(55) = 50 + (−50)·0,2528 = 37,36 kg

Antwort

m = 37,36 kg
11.Matrizen & Determinanten

Antwort: c21 = −26

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

c21 = 1·(−1) + (−5)·5 = −26

Antwort

c21 = −26
12.Matrizen & Determinanten

Antwort: λ = 2

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 + (2) = 0

Lösen

λ = (3 ± √(1))/2 → λ = 1, 2
λ = 2

Antwort

λ = 2
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: compb a = −0,2561

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.

Skalarprodukt

a·b = (−5)·4 + (−2)·(−3) + (−2)·(−6) = −2

Länge von b

|b| = √(4² + (−3)² + (−6)²) = 7,81

Skalare Projektion

compb a = a·b/|b| = −2/7,81 = −0,2561

Antwort

compb a = −0,2561

Negativ: a hat eine Komponente, die entgegen b zeigt.

14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: V = 20

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−1)·4 − (−5)·5 = 21
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−5)·5 − 4·4 = −41
(b × c)z = bxcy − bycx = 4·5 − (−1)·5 = 25

Skalarprodukt mit a

a·(b × c) = (−1)·21 + (−1)·(−41) + 0·25 = 20
V = |20| = 20

Antwort

V = 20
15.Wahrscheinlichkeit

Antwort: σ = 0,8367

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 = 0·0,35 + 1·0,3 + 2·0,35 = 1

Mittelwert der Quadrate

E(X²) = 0·0,35 + 1·0,3 + 4·0,35 = 1,7

Varianz

Var(X) = 1,7 − 1² = 0,7
σ = √0,7 = 0,8367

Antwort

σ = 0,8367
16.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,3601

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) = 5·0,31·0,74 = 5·0,3·0,2401 = 0,3601

Antwort

P = 0,3601
17.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 20,51

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 = 170/5 = 34

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 11² + 21² + (−24)² + (−20)² + 12² = 1682

Standardabweichung

s = √(1682/4) = 20,51

Antwort

s = 20,51
18.Beschreibende Statistik

Antwort: z = 0,6

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 = (57,2 − 50)/12 = 0,6

Antwort

z = 0,6
19.Normalverteilung

Antwort: P = 0,7654

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.

z-Werte

z₁ = (20 − 32)/6 = −2
z₂ = (36,8 − 32)/6 = 0,8

Fläche dazwischen

P = Φ(0,8) − Φ(−2) = 0,7881 − 0,02275 = 0,7654

Antwort

P = 0,7654
20.Normalverteilung

Antwort: x = 173,3 cm

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.

z für das Perzentil

Φ(z) = 0,25 → z = −0,6745

Zurück zu x

x = 178 + −0,6745·7 = 173,28 cm

Antwort

x = 173,28 cm

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