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→∞ (1 + 0,5/x)3x. Gib einen Dezimalwert an.

f(x) = (1 + 0,5/x)3xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
xyx = 0

Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (1 − cos 5x)/(x²), mit x im Bogenmaß.

f(x) = (1 − cos 5x)/(x²)x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
xyx = 1,5

Gegeben ist f(x) = x2·e2x. Bestimme f′(1,5).

f(x) = x2·e2xx = 1,5
f′(1.5) =
4.AbleitungenSchwer
xy

Gegeben ist f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x + 4. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Maximums.

f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x + 4
x =
5.IntegraleMittel
xy12y = x ln x

Berechne I = ∫₁2 x·ln x dx.

∫₁2 x ln x dx
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
ReIm22−2−244−4−466−6−6θz

Bestimme das Argument θ von z = −6 − j in Grad als Hauptwert zwischen −180° und 180°.

z = −6 − j
θ = °
8.Komplexe ZahlenSchwer
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

Eine Lösung von z³ − 7z² + 17z − 15 = 0 ist z₁ = 2 + j. Die Koeffizienten sind reell. Bestimme die reelle Lösung r.

z₁ = 2 + j
r =
9.DifferentialgleichungenMittel
t (min)T (°C)25Ta​18 °C

Eine Getränkedose mit 3 °C wird aus dem Kühlschrank in einen Raum mit 24 °C gebracht. Nach 25 min beträgt die Temperatur 18 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.

T0 = 3 °CTa = 24 °CT(25) = 18 °C
k = min⁻¹
10.DifferentialgleichungenSchwer
tyy(0) = 10y(0,75) = ?

Löse y″ + 3y′ + 27,25y = 0 mit y(0) = 10 und y′(0) = 0 (aus der Ruhe losgelassen). Bestimme y(0,75); Winkel im Bogenmaß.

y″ + 3y′ + 27,25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.75) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
A =514−5−2−4022

Bestimme die Determinante det A der gezeigten 3×3-Matrix A.

A = [5 1 4; −5 −2 −4; 0 2 2]
det A =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =3351

Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.

A = [3 3; 5 1]
λ =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme den Winkel θ zwischen den Vektoren a = (−5, −2, 6) und b = (−1, 2, −2) in Grad.

a = (−5, −2, 6)b = (−1, 2, −2)
θ = °
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzabc

Bestimme das Volumen V des Spats (Parallelepipeds), dessen Kanten von einer Ecke aus a = (1, 1, −3), b = (3, 0, 3) und c = (5, −1, −4) sind.

a = (1, 1, −3)b = (3, 0, 3)c = (5, −1, −4)
V =
15.WahrscheinlichkeitMittel
xp(x)00,110,320,330,0540,25μ = 2,05

Bestimme für die gezeigte Verteilung die Standardabweichung σ von X.

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0,1, 0,3, 0,3, 0,05, 0,25
σ =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
xp(x)00,310,120,2530,0540,3μ

X hat die gezeigte Verteilung, und Y = 2X + 20. Bestimme die Standardabweichung σY von Y.

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0,3, 0,1, 0,25, 0,05, 0,3Y = 2X + 20
σY =
17.Beschreibende StatistikMittel
2025303540

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 27, 20, 42, 27, 33.

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

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 500 und Standardabweichung 60. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 590.

μ = 500σ = 60x = 590
z =
19.NormalverteilungMittel
172,75185,35P = ?

Die Körpergrößen erwachsener Männer sind normalverteilt mit dem Mittelwert 178 cm und der Standardabweichung 7 cm. Welcher Anteil liegt zwischen 172,75 und 185,35 cm? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 178σ = 7x1 = 172,75x2 = 185,35
P =
20.NormalverteilungSchwer
μ = 178x = ?75%

Die Körpergrößen erwachsener Männer sind normalverteilt mit dem Mittelwert 178 cm und der Standardabweichung 7 cm. Bestimme den Wert x, unter dem 75 % von ihnen liegen (das 75. Perzentil).

μ = 178σ = 7P = 75%
x = cm

3Lösungen

1.Grenzwerte

Antwort: L = 4,482

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).

Den Logarithmus bilden

ln L = limx→∞ 3·x·ln(1 + 0,5/x)

Auswerten

ln(1 + u)/u → 1 für u → 0, also x·ln(1 + a/x) → a.

ln L = 3·0,5 = 1,5

Den Logarithmus rückgängig machen

L = e1,5 = 4,482

Antwort

L = 4,482
2.Grenzwerte

Antwort: L = 12,5

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).

Erste Anwendung

5·sin 5x/(2x) → 0/0

Zweite Anwendung

25·cos 5x/2

x = 0 einsetzen

L = 25/2 = 12,5

Antwort

L = 12,5
3.Ableitungen

Antwort: f′(1.5) = 150,6

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′ = e2x·(2x + 2·x2)

Einsetzen

f′(1,5) = 20,09·(3 + 4,5) = 150,6

Antwort

f′(1,5) = 150,6
4.Ableitungen

Antwort: x = 3

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 + 36 = 3·(x2 − 7x + 12)

f′(x) = 0 lösen

x = 3 oder x = 4

Welches ist welches

f″(x) = 6x − 21: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.

f″(3) = −3, f″(4) = 3
x = 3

Antwort

x = 3
5.Integrale

Antwort: I = 0,6363

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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Stammfunktion

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Grenzwerte

(2·ln 2 − 1) − (0 − 0,25) = 0,6363

Antwort

I = 0,6363
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: θ = −170,5 °

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.

Quadrant

a = −6, b = −1 → III

Bezugswinkel

α = atan(1/6) = 9,462°

Argument

θ = −(180° − α) = −170,5°

Antwort

θ = −170,5°

In Polarform ist z = 6,083∠−170,5°.

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 = 2 − j
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·2·z + (2² + 1²) = z² − 4z + 5

Das quadratische Polynom abspalten

z³ − 7z² + 17z − 15 = (z² − 4z + 5)(z − 3)

Reelle Lösung

r = 3

Antwort

r = 3

Kontrolliere mit der Summe der Lösungen: z₁ + z₂ + r = 4 + 3 = 7 = −(−7).

9.Differentialgleichungen

Antwort: k = 0,05011 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−25k = -6/-21

Nach k auflösen

k = ln(-21/-6)/25 = 0,05011 min⁻¹

Antwort

k = 0,05011 min⁻¹
10.Differentialgleichungen

Antwort: y(0.75) = −3,221

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.

Komplexe Wurzeln

r = −1,5 ± 5j

Konstanten

A = 10, B = 1,5·10/5 = 3

Auswerten

y(0,75) = e−1,125(10·cos 3,75 + 3·sin 3,75) = −3,221

Antwort

y(0,75) = −3,221
11.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = −10

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 = 4, M₁₂ = −10, M₁₃ = −10

Laplace-Entwicklung

det A = 5·4 − 1·(−10) + 4·(−10) = −10

Antwort

det A = −10
12.Matrizen & Determinanten

Antwort: λ = 6

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 − (4)λ + (−12) = 0

Lösen

λ = (4 ± √(64))/2 → λ = −2, 6
λ = 6

Antwort

λ = 6
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: θ = 117,1 °

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.

Skalarprodukt

a·b = (−5)·(−1) + (−2)·2 + 6·(−2) = −11

Beträge

|a| = √((−5)² + (−2)² + 6²) = 8,062
|b| = √((−1)² + 2² + (−2)²) = 3

Winkel

cos θ = −11/(8,062·3) = −0,4548
θ = arccos(−0,4548) = 117,1°

Antwort

θ = 117,1°
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: V = 39

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 0·(−4) − 3·(−1) = 3
(b × c)y = bzcx − bxcz = 3·5 − 3·(−4) = 27
(b × c)z = bxcy − bycx = 3·(−1) − 0·5 = −3

Skalarprodukt mit a

a·(b × c) = 1·3 + 1·27 + (−3)·(−3) = 39
V = |39| = 39

Antwort

V = 39
15.Wahrscheinlichkeit

Antwort: σ = 1,322

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 = 0·0,1 + 1·0,3 + 2·0,3 + 3·0,05 + 4·0,25 = 2,05

Mittelwert der Quadrate

E(X²) = 0·0,1 + 1·0,3 + 4·0,3 + 9·0,05 + 16·0,25 = 5,95

Varianz

Var(X) = 5,95 − 2,05² = 1,748
σ = √1,748 = 1,322

Antwort

σ = 1,322
16.Wahrscheinlichkeit

Antwort: σY = 3,192

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 = 1,95, Var(X) = 2,547, σX = 1,596

Lineare Änderung

σY = |2|·1,596 = 3,192

Antwort

σY = 3,192

Der Mittelwert verschiebt sich sehr wohl: E(Y) = 2·1,95 + 20 = 23,9.

17.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 8,228

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 = 149/5 = 29,8

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−2,8)² + (−9,8)² + 12,2² + (−2,8)² + 3,2² = 270,8

Standardabweichung

s = √(270,8/4) = 8,228

Antwort

s = 8,228
18.Beschreibende Statistik

Antwort: z = 1,5

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 = (590 − 500)/60 = 1,5

Antwort

z = 1,5
19.Normalverteilung

Antwort: P = 0,6265

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 = (172,75 − 178)/7 = −0,75
z₂ = (185,35 − 178)/7 = 1,05

Fläche dazwischen

P = Φ(1,05) − Φ(−0,75) = 0,8531 − 0,2266 = 0,6265

Antwort

P = 0,6265
20.Normalverteilung

Antwort: x = 182,7 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) = 0,75 → z = 0,6745

Zurück zu x

x = 178 + 0,6745·7 = 182,72 cm

Antwort

x = 182,72 cm

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