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→∞ (√(4x2 − 5x) − 2x).
f(x) = √(4x2 − 5x) − 2xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
Bestimme den Grenzwert L = limx→0 ln(1 + 4x)/sin(5x), mit x im Bogenmaß.
f(x) = ln(1 + 4x)/sin(5x)x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = ln(2x2 + 5). Bestimme f′(−1).
f(x) = ln(2x2 + 5)x = −1
f′(−1) =
4.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = x2 + 3x − 1 bei x = 3 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = x2 + 3x − 1x = 3
b =
5.IntegraleMittel
Berechne I = ∫12 4/x dx.
f(x) = 4/x[1, 2]
I =
6.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 1 − x² und der x-Achse.
y = 1 − x²
A =
7.Komplexe ZahlenMittel
Bestimme das Argument θ von z = −9 + j7 in Grad als Hauptwert zwischen −180° und 180°.
z = −9 + j7
θ = °
8.Komplexe ZahlenSchwer
Die Lösungen von zⁿ = w mit n = 2 und w = 16∠−90° sind zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1. Bestimme den Realteil von z₁.
w = 16∠−90°n = 2k = 1
Re(z₁) =
9.DifferentialgleichungenMittel
Löse y″ + 8y′ + 16y = 0 mit y(0) = 3 und y′(0) = 0. Bestimme y(1,5).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1.5) =
10.DifferentialgleichungenSchwer
Löse das Anfangswertproblem y′ + 2y/x = 2 für x > 0 mit y(1) = 5. Bestimme y(2).
y′ + 2y/x = 2y(1) = 5
y(2) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c11 (Zeile 1, Spalte 1).
A = [5 −3; 0 −3]B = [−4 0; 0 −4]
c11 =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
Löse das Gleichungssystem −6x + 2y = 1 und −x − 3y = 6. Bestimme x.
−6x + 2y = 1−x − 3y = 6
x =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
Bestimme das Skalarprodukt a·b von a = (−5, 5, 0) und b = (−3, −6, 3).
a = (−5, 5, 0)b = (−3, −6, 3)
a·b =
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
Bestimme das Volumen V des Spats (Parallelepipeds), dessen Kanten von einer Ecke aus a = (1, −1, −1), b = (1, 4, 0) und c = (2, 0, 1) sind.
a = (1, −1, −1)b = (1, 4, 0)c = (2, 0, 1)
V =
15.WahrscheinlichkeitMittel
Ein Beutel enthält 8 rote und 7 blaue Kugeln. Du ziehst zwei Kugeln, ohne die erste zurückzulegen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, dass beide rot sind?
8 / 7
P =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
Ein Test hat 12 Multiple-Choice-Fragen. Eine Studentin, die rät, beantwortet jede unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,1 richtig. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P für genau 4 richtige Antworten?
n = 12p = 0,1k = 4
P =
17.Beschreibende StatistikMittel
Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 49, 47, 16, 16, 40, 58, 25.
n = 7
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 50 und Standardabweichung 20. Welcher Anteil P der Werte liegt unter 10?
μ = 50σ = 20x = 10
P =
19.NormalverteilungMittel
Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Welcher Anteil liegt zwischen 454 und 540 h? Gib P als Dezimalzahl an.
μ = 500σ = 40x1 = 454x2 = 540
P =
20.NormalverteilungSchwer
Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Bestimme den Wert x, unter dem 97,5 % von ihnen liegen (das 97,5. Perzentil).
μ = 65σ = 10P = 97,5%
x = Punkte
3Lösungen
1.Grenzwerte
Antwort: L = −1,25
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) = −5x/(√(4x2 − 5x) + 2x)
Durch x teilen
f(x) = −5/(√(4 + (−5)/x) + 2)
x → ∞ laufen lassen
L = −5/(2 + 2) = −1,25
Antwort
L = −1,25
2.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).
Regel von L'Hôpital
L = limx→0 [4/(1 + 4x)]/[5·cos 5x]
x = 0 einsetzen
L = 4/5 = 0,8
Antwort
L = 0,8
3.Ableitungen
Antwort: f′(−1) = −0,5714
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 + 5)
Einsetzen
f′(−1) = −4/7 = −0,5714
Antwort
f′(−1) = −0,5714
4.Ableitungen
Antwort: b = −10
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(3) = 17
f′(x) = 2x + 3 → f′(3) = 9
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 17 − 9·3 = −10
Antwort
b = −10
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) = 4·ln x
An den Grenzen auswerten
I = 4·(ln 2 − ln 1) = 4·ln 2 = 2,773
Antwort
I = 2,773
6.Integrale
Antwort: A = 1,333
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.
Nullstellen
1 − x² = 0 → x = ±1
Integrieren
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Antwort
A = 1,333
7.Komplexe Zahlen
Antwort: θ = 142,1 °
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 = −9, b = 7 → II
Bezugswinkel
α = atan(7/9) = 37,87°
Argument
θ = 180° − α = 142,1°
Antwort
θ = 142,1°
In Polarform ist z = 11,4∠142,1°.
8.Komplexe Zahlen
Antwort: Re(z₁) = −2,828
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.
Betrag der Wurzeln
161/2 = 4
Argument der Wurzel
θ₁ = (−90° + 360°·1)/2 = 135°
Kartesische Form
z₁ = 4·(cos 135° + j sin 135°) = −2,828 + j2,828
Re(z₁) = −2,828
Antwort
Re(z₁) = −2,828
Die 2 Wurzeln liegen auf dem Kreis mit dem Radius 4, jeweils 180° auseinander.
9.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 0,05205
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.
Doppelte Wurzel
(r + 4)² = 0 → r = −4
Konstanten
A = y(0) = 3
y′(0) = B − 4A → B = 0 + 12 = 12
Auswerten
y(1,5) = (3 + 12·1,5)·e−6 = 0,05205
Antwort
y(1,5) = 0,05205
10.Differentialgleichungen
Antwort: y(2) = 2,417
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)′ = 2x2 → x2y = 2x3/3 + C
Anfangsbedingung
5 = 2/3 + C → C = 4,333
Auswerten
y(2) = (2·23/3 + 4,333)/22 = 2,417
Antwort
y(2) = 2,417
11.Matrizen & Determinanten
Antwort: c11 = −20
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 = 5·(−4) + (−3)·0 = −20
Antwort
c11 = −20
12.Matrizen & Determinanten
Antwort: x = −0,75
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 = (−6)·(−3) − 2·(−1) = 20
Die x-Spalte ersetzen
det Aₓ = 1·(−3) − 2·6 = −15
x = −15/20 = −0,75
Antwort
x = −0,75
y = −1,75
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: a·b = −15
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.
Entsprechende Komponenten multiplizieren und addieren
Negativ: Der Winkel zwischen den Vektoren ist größer als 90°.
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: V = 13
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 = 4·1 − 0·0 = 4
(b × c)y = bzcx − bxcz = 0·2 − 1·1 = −1
(b × c)z = bxcy − bycx = 1·0 − 4·2 = −8
Skalarprodukt mit a
a·(b × c) = 1·4 + (−1)·(−1) + (−1)·(−8) = 13
V = |13| = 13
Antwort
V = 13
15.Wahrscheinlichkeit
Antwort: P = 0,2667
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.
Erster und zweiter Zug
P = 8/15 · 7/14 = 56/210 = 0,2667
Antwort
P = 0,2667
16.Wahrscheinlichkeit
Antwort: P = 0,02131
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.
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 = −2
Standardnormalverteilungstabelle
Φ(−2) = 0,02275
P = 0,02275
Antwort
P = 0,02275
19.Normalverteilung
Antwort: P = 0,7163
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 = (454 − 500)/40 = −1,15
z₂ = (540 − 500)/40 = 1
Fläche dazwischen
P = Φ(1) − Φ(−1,15) = 0,8413 − 0,1251 = 0,7163
Antwort
P = 0,7163
20.Normalverteilung
Antwort: x = 84,6 Punkte
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.