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) − 2x).

f(x) = √(4x2 − 2x) − 2xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
xyx = 0

Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (1 − cos 3x)/(4x²), mit x im Bogenmaß.

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

Gegeben ist f(x) = (−2x + 5)4. Bestimme f′(−1).

f(x) = (−2x + 5)4x = −1
f′(−1) =
4.AbleitungenSchwer
xy

Gegeben ist f(x) = x3 − 15x2 + 63x − 2. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Minimums.

f(x) = x3 − 15x2 + 63x − 2
x =
5.IntegraleMittel
xy28

Berechne I = ∫28 2/x dx.

f(x) = 2/x[2, 8]
I =
6.IntegraleSchwer
xyy = 2x2​y = 4x

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = 4x eingeschlossen wird.

y = 2x2y = 4x
A =
7.Komplexe ZahlenMittel
ReIm1010−10−102020−20−20z₁z₂w

Gegeben sind z₁ = 5∠125° und z₂ = 4∠80°. Bestimme den Imaginärteil von w = z₁·z₂.

z₁ = 5∠125°z₂ = 4∠80°
Im(w) =
8.Komplexe ZahlenSchwer
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Eine Lösung von z³ + 11z² + 56z + 96 = 0 ist z₁ = −4 + j4. Die Koeffizienten sind reell. Bestimme die reelle Lösung r.

z₁ = −4 + j4
r =
9.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 1y(1,5) = ?

Löse y″ + 7y′ + 12y = 0 mit y(0) = 1 und y′(0) = -2. Bestimme y(1,5).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 1y′(0) = -2
y(1.5) =
10.DifferentialgleichungenSchwer
tyK = 10y(1) = ?

Ein System gehorcht y″ + 3y′ + 27,25y = 272,5 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme y(1); Winkel im Bogenmaß.

y″ + 3y′ + 27,25y = 272,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
A =21−15B =4−244

Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c22 (Zeile 2, Spalte 2).

A = [2 1; −1 5]B = [4 −2; 4 4]
c22 =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =2−3−4−4b =12−9

Löse das Gleichungssystem 2x − 3y = 12 und −4x − 4y = −9. Bestimme x.

2x − 3y = 12−4x − 4y = −9
x =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzdFAB

Eine konstante Kraft F = (10, −25, 0) N wirkt auf einen Körper, während er sich geradlinig von Punkt A(4, −3, −4) nach Punkt B(−5, 3, −4) bewegt. Die Koordinaten sind in Metern angegeben. Bestimme die von der Kraft verrichtete Arbeit W.

F = (10, −25, 0) NA(4, −3, −4) mB(−5, 3, −4) m
W = J
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzab

Bestimme die Fläche A des Parallelogramms, das von a = (−4, −1, −5) und b = (−6, −5, 0) aufgespannt wird.

a = (−4, −1, −5)b = (−6, −5, 0)
A =
15.WahrscheinlichkeitMittel
xp(x)00,310,3520,35μ = 1,05

Bestimme für die gezeigte Verteilung die Varianz Var(X) von X.

x: 0, 1, 2p(x): 0,3, 0,35, 0,35
Var(X) =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
€p(x)−100,8400,15900,05

Ein Spiel kostet €10 Einsatz. Du gewinnst €50 mit der Wahrscheinlichkeit 0,15 und €100 mit der Wahrscheinlichkeit 0,05; sonst gewinnst du nichts. Der Einsatz wird nicht zurückgegeben. Bestimme den erwarteten Nettogewinn E(G) pro Spiel.

Einsatz = €10€50: p = 0,15€100: p = 0,05
E(G) = €
17.Beschreibende StatistikMittel
15202530354045

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 13, 27, 16, 28, 45.

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

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 60 und Standardabweichung 15. Welcher Anteil P der Werte liegt über 69?

μ = 60σ = 15x = 69
P =
19.NormalverteilungMittel
468532P = ?

Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Welcher Anteil liegt zwischen 468 und 532 h? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 500σ = 40x1 = 468x2 = 532
P =
20.NormalverteilungSchwer
35455565758595Punkteunten 5%

Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten unteren 5 % links davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 65 Punkteσ = 10 Punkte5%
x = Punkte

3Lösungen

1.Grenzwerte

Antwort: L = −0,5

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) = −2x/(√(4x2 − 2x) + 2x)

Durch x teilen

f(x) = −2/(√(4 + (−2)/x) + 2)

x → ∞ laufen lassen

L = −2/(2 + 2) = −0,5

Antwort

L = −0,5
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

3·sin 3x/(8x) → 0/0

Zweite Anwendung

9·cos 3x/8

x = 0 einsetzen

L = 9/8 = 1,125

Antwort

L = 1,125
3.Ableitungen

Antwort: f′(−1) = −2744

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

f′(x) = 4·(−2x + 5)3·(−2)

Einsetzen

f′(−1) = 4·73·(−2) = −2744

Antwort

f′(−1) = −2744
4.Ableitungen

Antwort: x = 7

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 − 30x + 63 = 3·(x2 − 10x + 21)

f′(x) = 0 lösen

x = 3 oder x = 7

Welches ist welches

f″(x) = 6x − 30: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.

f″(3) = −12, f″(7) = 12
x = 7

Antwort

x = 7
5.Integrale

Antwort: I = 2,773

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) = 2·ln x

An den Grenzen auswerten

I = 2·(ln 8 − ln 2) = 2·ln 4 = 2,773

Antwort

I = 2,773
6.Integrale

Antwort: A = 2,667

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 = 4x → x = 0, x = 2

Obere minus untere integrieren

A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667

Antwort

A = 2,667
7.Komplexe Zahlen

Antwort: Im(w) = −8,452

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.

Betrag und Argument von w

|w| = 5 · 4 = 20
θ = 125° + 80° = 205° → −155°

Kartesische Form

Re(w) = 20·cos(−155°) = −18,13
Im(w) = 20·sin(−155°) = −8,452
Im(w) = −8,452

Antwort

Im(w) = −8,452
8.Komplexe Zahlen

Antwort: r = −3

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.

Konjugiertes Paar

z₂ = −4 − j4
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·(−4)·z + ((−4)² + 4²) = z² + 8z + 32

Das quadratische Polynom abspalten

z³ + 11z² + 56z + 96 = (z² + 8z + 32)(z + 3)

Reelle Lösung

r = −3

Antwort

r = −3

Kontrolliere mit der Summe der Lösungen: z₁ + z₂ + r = −8 + (−3) = −11 = −(11).

9.Differentialgleichungen

Antwort: y(1.5) = 0,01974

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 + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4

Konstanten aus den Anfangswerten

A + B = 1, −3A − 4B = -2
A = 2, B = −1

Auswerten

y(1,5) = 2·e−4,5 + (−1)·e−6 = 0,01974

Antwort

y(1,5) = 0,01974
10.Differentialgleichungen

Antwort: y(1) = 10,01

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.

Stationärer Wert und Wurzeln

yss = 10, r = −1,5 ± 5j

Konstanten aus den Anfangswerten

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −3

Auswerten

y(1) = 10·(1 − e−1,5(cos 5 + 0,3·sin 5)) = 10,01

Antwort

y(1) = 10,01
11.Matrizen & Determinanten

Antwort: c22 = 22

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)·(−2) + 5·4 = 22

Antwort

c22 = 22
12.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = 3,75

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·(−4) − (−3)·(−4) = −20

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = 12·(−4) − (−3)·(−9) = −75
x = −75/(−20) = 3,75

Antwort

x = 3,75
y = −1,5
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: W = −240 J

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.

Weg

d = B − A = (−5, 3, −4) − (4, −3, −4) = (−9, 6, 0) m

Arbeit

W = F·d = 10·(−9) + (−25)·6 + 0·0 = −240 J

Antwort

W = −240 J

Negative Arbeit: Die Kraft wirkt überwiegend entgegen der Bewegung.

14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: A = 41,48

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

(a × b)x = aybz − azby = (−1)·0 − (−5)·(−5) = −25
(a × b)y = azbx − axbz = (−5)·(−6) − (−4)·0 = 30
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·(−5) − (−1)·(−6) = 14

Fläche

A = |a × b| = √((−25)² + 30² + 14²) = 41,48

Antwort

A = 41,48
15.Wahrscheinlichkeit

Antwort: Var(X) = 0,6475

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 = 0·0,3 + 1·0,35 + 2·0,35 = 1,05

Mittelwert der Quadrate

E(X²) = 0·0,3 + 1·0,35 + 4·0,35 = 1,75

Varianz

Var(X) = 1,75 − 1,05² = 0,6475

Antwort

Var(X) = 0,6475
16.Wahrscheinlichkeit

Antwort: E(G) = 2,5 €

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.

Nettoergebnisse

G: 40 (p = 0,15), 90 (p = 0,05), −10 (p = 0,8)

Erwartungswert

E(G) = 40·0,15 + 90·0,05 − 10·0,8 = 2,5 €

Antwort

E(G) = 2,5 €

Ein positiver Wert bedeutet, dass du im Durchschnitt Geld gewinnst.

17.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 12,6

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.

Mittelwert

x̄ = 129/5 = 25,8

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−12,8)² + 1,2² + (−9,8)² + 2,2² + 19,2² = 634,8

Standardabweichung

s = √(634,8/4) = 12,6

Antwort

s = 12,6
18.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,2743

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 = 0,6

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(0,6) = 0,7257
P = 1 − 0,7257 = 0,2743

Antwort

P = 0,2743
19.Normalverteilung

Antwort: P = 0,5763

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 = (468 − 500)/40 = −0,8
z₂ = (532 − 500)/40 = 0,8

Fläche dazwischen

P = Φ(0,8) − Φ(−0,8) = 0,7881 − 0,2119 = 0,5763

Antwort

P = 0,5763
20.Normalverteilung

Antwort: x = 48,6 Punkte

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

Φ(z) = 0,05

z aus der Tabelle

z ≈ −1,64

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 65 − 1,64·10 = 48,6 Punkte

Antwort

x = 48,6 Punkte

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