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 + 1/x)2x. Gib einen Dezimalwert an.
f(x) = (1 + 1/x)2xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
Bestimme den Grenzwert L = limx→0 ln(1 + 3x)/sin(x), mit x im Bogenmaß.
f(x) = ln(1 + 3x)/sin(x)x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = (4x − 3)4. Bestimme f′(−1).
f(x) = (4x − 3)4x = −1
f′(−1) =
4.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = x2 + x + 4 bei x = 1 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = x2 + x + 4x = 1
b =
5.IntegraleMittel
Berechne I = ∫24 3/x dx.
f(x) = 3/x[2, 4]
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
Schreibe z = 2∠−115° in kartesischer Form a + jb und gib den Imaginärteil b an.
r = 2θ = −115°
b =
8.Komplexe ZahlenSchwer
Bestimme den Imaginärteil von (−3 − j2)³.
z = −3 − j2n = 3
Im(z³) =
9.DifferentialgleichungenMittel
Eine Getränkedose mit 5 °C wird aus dem Kühlschrank in einen Raum mit 27 °C gebracht. Nach 8 min beträgt die Temperatur 13 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wie lange nach dem Start, t, dauert es, bis 21 °C erreicht sind?
T0 = 5 °CTa = 27 °CT(8) = 13 °CT = 21 °C
t = min
10.DifferentialgleichungenSchwer
Löse das Anfangswertproblem y′ + 2y/x = 4x für x > 0 mit y(1) = 5. Bestimme y(2).
y′ + 2y/x = 4xy(1) = 5
y(2) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c11 (Zeile 1, Spalte 1).
A = [−2 0; −2 0]B = [2 6; 0 −5]
c11 =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
Löse das Gleichungssystem 5x + 5y = 1 und −4x − 6y = 0. Bestimme x.
5x + 5y = 1−4x − 6y = 0
x =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
Bestimme die skalare Projektion compb a von a = (4, 7, −6) auf b = (−4, −3, 1), also die Komponente von a in Richtung von b.
a = (4, 7, −6)b = (−4, −3, 1)
compb a =
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
Bestimme das Volumen V des Spats (Parallelepipeds), dessen Kanten von einer Ecke aus a = (−5, 4, −2), b = (−5, 4, 3) und c = (5, 2, 2) sind.
a = (−5, 4, −2)b = (−5, 4, 3)c = (5, 2, 2)
V =
15.WahrscheinlichkeitMittel
Bestimme für die gezeigte Verteilung die Standardabweichung σ von X.
x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0,3, 0,3, 0,25, 0,1, 0,05
σ =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
X hat die gezeigte Verteilung, und Y = 10X + 5. Bestimme die Standardabweichung σY von Y.
Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 56, 26, 15, 47, 12, 37.
n = 6
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 50 und Standardabweichung 8. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 60.
μ = 50σ = 8x = 60
z =
19.NormalverteilungMittel
Gegeben sind Schrauben; ihre Massen sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 40 g und der Standardabweichung 1,2 g. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass die Gesamtmasse von 10 davon unter 403,8 g liegt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.
μ = 40 gσ = 1,2 gn = 10< 403.8 g
P =
20.NormalverteilungSchwer
Die Körpergrößen erwachsener Männer sind normalverteilt mit dem Mittelwert 178 cm und der Standardabweichung 7 cm. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten oberen 90 % rechts davon liegen. Bestimme die Grenze x.
μ = 178 cmσ = 7 cm90%
x = cm
3Lösungen
1.Grenzwerte
Antwort: L = 7,389
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→∞ 2·x·ln(1 + 1/x)
Auswerten
ln(1 + u)/u → 1 für u → 0, also x·ln(1 + a/x) → a.
ln L = 2·1 = 2
Den Logarithmus rückgängig machen
L = e2 = 7,389
Antwort
L = 7,389
2.Grenzwerte
Antwort: L = 3
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).
Regel von L'Hôpital
L = limx→0 [3/(1 + 3x)]/[cos x]
x = 0 einsetzen
L = 3/1 = 3
Antwort
L = 3
3.Ableitungen
Antwort: f′(−1) = −5488
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·(4x − 3)3·4
Einsetzen
f′(−1) = 4·(−7)3·4 = −5488
Antwort
f′(−1) = −5488
4.Ableitungen
Antwort: b = 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.
Punkt und Steigung
f(1) = 6
f′(x) = 2x + 1 → f′(1) = 3
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 6 − 3·1 = 3
Antwort
b = 3
5.Integrale
Antwort: I = 2,079
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) = 3·ln x
An den Grenzen auswerten
I = 3·(ln 4 − ln 2) = 3·ln 2 = 2,079
Antwort
I = 2,079
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: b = −1,813
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 = 2·cos(−115°) = −0,8452
b = 2·sin(−115°) = −1,813
Kartesische Form
z = −0,8452 − j1,813
b = −1,813
Antwort
b = −1,813
8.Komplexe Zahlen
Antwort: Im(z³) = −46
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.
Potenzen Schritt für Schritt
z² = (−3 − j2)(−3 − j2) = 5 + j12
z³ = (5 + j12)(−3 − j2) = 9 − j46
Mit De Moivre kontrollieren
z = 3,606∠−146,3° → z³ = 46,87∠−78,93°
Im(z³) = −46
Antwort
Im(z³) = −46
9.Differentialgleichungen
Antwort: t = 23 min
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.
Abkühlungskonstante
k = ln(-22/-14)/8 = 0,0565 min⁻¹
Zeit bis zum Zielwert
t = ln(-22/(−6))/0,0565 = 23 min
Antwort
t = 23 min
10.Differentialgleichungen
Antwort: y(2) = 5
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)′ = 4x3 → x2y = 4x4/4 + C
Anfangsbedingung
5 = 4/4 + C → C = 4
Auswerten
y(2) = (4·24/4 + 4)/22 = 5
Antwort
y(2) = 5
11.Matrizen & Determinanten
Antwort: c11 = −4
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
c11 = (−2)·2 + 0·0 = −4
Antwort
c11 = −4
12.Matrizen & Determinanten
Antwort: x = 0,6
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.
Determinante der Koeffizientenmatrix
det A = 5·(−6) − 5·(−4) = −10
Die x-Spalte ersetzen
det Aₓ = 1·(−6) − 5·0 = −6
x = −6/(−10) = 0,6
Antwort
x = 0,6
y = −0,4
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: compb a = −8,433
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 = 4·(−4) + 7·(−3) + (−6)·1 = −43
Länge von b
|b| = √((−4)² + (−3)² + 1²) = 5,099
Skalare Projektion
compb a = a·b/|b| = −43/5,099 = −8,433
Antwort
compb a = −8,433
Negativ: a hat eine Komponente, die entgegen b zeigt.
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: V = 150
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 = 4·2 − 3·2 = 2
(b × c)y = bzcx − bxcz = 3·5 − (−5)·2 = 25
(b × c)z = bxcy − bycx = (−5)·2 − 4·5 = −30
Skalarprodukt mit a
a·(b × c) = (−5)·2 + 4·25 + (−2)·(−30) = 150
V = |150| = 150
Antwort
V = 150
15.Wahrscheinlichkeit
Antwort: σ = 1,145
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 = 1,85, Var(X) = 1,128, σX = 1,062
Lineare Änderung
σY = |10|·1,062 = 10,62
Antwort
σY = 10,62
Der Mittelwert verschiebt sich sehr wohl: E(Y) = 10·1,85 + 5 = 23,5.
17.Beschreibende Statistik
Antwort: s = 17,61
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 = (60 − 50)/8 = 1,25
Antwort
z = 1,25
19.Normalverteilung
Antwort: P = 0,8413
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
μT = 400 g, σT = 1,2·√10 = 3,795 g
Standardisieren
z = (403,8 − 400)/3,795 = 1
Wahrscheinlichkeit
P = Φ(1) = 0,8413
Antwort
P = 0,8413
20.Normalverteilung
Antwort: x = 169 cm
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.