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→∞ (1 + 0,5/x)3x. Gib einen Dezimalwert an.
f(x) = (1 + 0,5/x)3xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
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
Gegeben ist f(x) = x2·e2x. Bestimme f′(1,5).
f(x) = x2·e2xx = 1,5
f′(1.5) =
4.AbleitungenSchwer
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
Berechne I = ∫₁2 x·ln x dx.
∫₁2 x ln x dx
I =
6.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = 4x eingeschlossen wird.
y = 2x2y = 4x
A =
7.Komplexe ZahlenMittel
Bestimme das Argument θ von z = −6 − j in Grad als Hauptwert zwischen −180° und 180°.
z = −6 − j
θ = °
8.Komplexe ZahlenSchwer
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
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
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
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
Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.
A = [3 3; 5 1]
λ =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
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
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
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
X hat die gezeigte Verteilung, und Y = 2X + 20. Bestimme die Standardabweichung σY von Y.
Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 27, 20, 42, 27, 33.
n = 5
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
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
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
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.
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.
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.
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.
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.