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→∞ (−6x3 + x + 5)/(x3 + x + 8).

f(x) = (−6x3 + x + 5)/(x3 + x + 8)x → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
xyx = 0

Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (ex − 1 − x)/x².

f(x) = (ex − 1 − x)/x²x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
xyx = 1,5

Gegeben ist f(x) = x3·e−0,5x. Bestimme f′(1,5).

f(x) = x3·e−0,5xx = 1,5
f′(1.5) =
4.AbleitungenSchwer
xyx = 3

Die Tangente an f(x) = −x2 + 5x + 6 bei x = 3 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.

f(x) = −x2 + 5x + 6x = 3
b =
5.IntegraleMittel
xy210

Berechne I = ∫210 1/x dx.

f(x) = 1/x[2, 10]
I =
6.IntegraleSchwer
xy−33

Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 9 − x² und der x-Achse.

y = 9 − x²
A =
7.Komplexe ZahlenMittel
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂w

Gegeben sind z₁ = 1,5∠−35° und z₂ = 2∠−95°. Bestimme den Realteil von w = z₁·z₂.

z₁ = 1,5∠−35°z₂ = 2∠−95°
Re(w) =
8.Komplexe ZahlenSchwer
ReIm22−2−244−4−4z₀z₁

Die Lösungen von zⁿ = w mit n = 2 und w = 25∠120° sind zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1. Bestimme den Realteil von z₁.

w = 25∠120°n = 2k = 1
Re(z₁) =
9.DifferentialgleichungenMittel
t (min)T (°C)16Ta​13 °C10 °C

Eine Getränkedose mit 4 °C wird aus dem Kühlschrank in einen Raum mit 27 °C gebracht. Nach 16 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 10 °C erreicht sind?

T0 = 4 °CTa = 27 °CT(16) = 13 °CT = 10 °C
t = min
10.DifferentialgleichungenSchwer
xy13(1, 4)y(3) = ?

Löse das Anfangswertproblem y′ + y/x = 6x für x > 0 mit y(1) = 4. Bestimme y(3).

y′ + y/x = 6xy(1) = 4
y(3) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
A =0−3−5−4B =5−1−5−2

Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c21 (Zeile 2, Spalte 1).

A = [0 −3; −5 −4]B = [5 −1; −5 −2]
c21 =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =33−36b =−105

Löse das Gleichungssystem 3x + 3y = −10 und −3x + 6y = 5. Bestimme x.

3x + 3y = −10−3x + 6y = 5
x =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme den Winkel θ zwischen den Vektoren a = (1, 0, −1) und b = (4, 1, −2) in Grad.

a = (1, 0, −1)b = (4, 1, −2)
θ = °
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzab

Der Einheitsvektor n̂ steht senkrecht auf a = (4, −2, 2) und b = (2, 5, −1) und hat eine positive z-Komponente. Bestimme seine y-Komponente n̂y.

a = (4, −2, 2)b = (2, 5, −1)n̂z > 0
n̂y =
15.WahrscheinlichkeitMittel
xp(x)100,3200,1300,3400,3μ = 26

Bestimme für die gezeigte Verteilung die Standardabweichung σ von X.

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0,3, 0,1, 0,3, 0,3
σ =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
xp(x)00,310,120,3530,25μ

X hat die gezeigte Verteilung, und Y = 5X + 5. Bestimme die Standardabweichung σY von Y.

x: 0, 1, 2, 3p(x): 0,3, 0,1, 0,35, 0,25Y = 5X + 5
σY =
17.Beschreibende StatistikMittel
253035404550

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 43, 39, 40, 52, 36, 38, 23.

n = 7
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
z −2−1012

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 500 und Standardabweichung 40. Welcher Anteil P der Werte liegt über 516?

μ = 500σ = 40x = 516
P =
19.NormalverteilungMittel
480 g482,1 gT = X₁ + … + X₁₂?

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 12 davon 482,1 g übersteigt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μ = 40 gσ = 1,2 gn = 12> 482,1 g
P =
20.NormalverteilungSchwer
0,02 mm0D − d?

Bohrungsdurchmesser D sind normalverteilt mit dem Mittelwert 25,02 mm und der Standardabweichung 0,015 mm. Wellendurchmesser d sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 25 mm und der Standardabweichung 0,015 mm. Eine zufällig gewählte Welle passt, wenn D − d > 0 ist. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass sie passt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

Bohrung: μ = 25,02 mm, σ = 0,015 mmWelle: μ = 25 mm, σ = 0,015 mm
P =

3Lösungen

1.Grenzwerte

Antwort: L = −6

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).

Durch die höchste Potenz teilen

(−6 + 1/x2 + 5/x3)/(1 + 1/x2 + 8/x3)

x → ∞ laufen lassen

L = −6/1 = −6

Antwort

L = −6

Bei gleichem Grad ist der Grenzwert das Verhältnis der Leitkoeffizienten.

2.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).

Erste Anwendung

(1·ex − 1)/(2x) → 0/0

Zweite Anwendung

1·ex/2

x = 0 einsetzen

L = 1·1/2 = 0,5

Antwort

L = 0,5
3.Ableitungen

Antwort: f′(1.5) = 2,391

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′ = e−0,5x·(3x2 + (−0,5)·x3)

Einsetzen

f′(1,5) = 0,4724·(6,75 + (−1,688)) = 2,391

Antwort

f′(1,5) = 2,391
4.Ableitungen

Antwort: b = 15

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) = 12
f′(x) = −2x + 5 → f′(3) = −1

Tangente bei x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 12 − (−1)·3 = 15

Antwort

b = 15
5.Integrale

Antwort: I = 1,609

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) = ln x

An den Grenzen auswerten

I = (ln 10 − ln 2) = ln 5 = 1,609

Antwort

I = 1,609
6.Integrale

Antwort: A = 36

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

9 − x² = 0 → x = ±3

Integrieren

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

Antwort

A = 36
7.Komplexe Zahlen

Antwort: Re(w) = −1,928

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| = 1,5 · 2 = 3
θ = −35° + (−95)° = −130°

Kartesische Form

Re(w) = 3·cos(−130°) = −1,928
Im(w) = 3·sin(−130°) = −2,298
Re(w) = −1,928

Antwort

Re(w) = −1,928
8.Komplexe Zahlen

Antwort: Re(z₁) = −2,5

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

251/2 = 5

Argument der Wurzel

θ₁ = (120° + 360°·1)/2 = 240° → −120°

Kartesische Form

z₁ = 5·(cos −120° + j sin −120°) = −2,5 − j4,33
Re(z₁) = −2,5

Antwort

Re(z₁) = −2,5

Die 2 Wurzeln liegen auf dem Kreis mit dem Radius 5, jeweils 180° auseinander.

9.Differentialgleichungen

Antwort: t = 9,742 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(-23/-14)/16 = 0,03103 min⁻¹

Zeit bis zum Zielwert

t = ln(-23/(−17))/0,03103 = 9,742 min

Antwort

t = 9,742 min
10.Differentialgleichungen

Antwort: y(3) = 18,67

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∫1/x dx = x1

Integrieren

(x1y)′ = 6x2 → x1y = 6x3/3 + C

Anfangsbedingung

4 = 6/3 + C → C = 2

Auswerten

y(3) = (6·33/3 + 2)/31 = 18,67

Antwort

y(3) = 18,67
11.Matrizen & Determinanten

Antwort: c21 = −5

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

c21 = (−5)·5 + (−4)·(−5) = −5

Antwort

c21 = −5
12.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = −2,778

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 = 3·6 − 3·(−3) = 27

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = (−10)·6 − 3·5 = −75
x = −75/27 = −2,778

Antwort

x = −2,778
y = −0,5556
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: θ = 22,21 °

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 = 1·4 + 0·1 + (−1)·(−2) = 6

Beträge

|a| = √(1² + 0² + (−1)²) = 1,414
|b| = √(4² + 1² + (−2)²) = 4,583

Winkel

cos θ = 6/(1,414·4,583) = 0,9258
θ = arccos(0,9258) = 22,21°

Antwort

θ = 22,21°
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: n̂y = 0,3015

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

(a × b)x = aybz − azby = (−2)·(−1) − 2·5 = −8
(a × b)y = azbx − axbz = 2·2 − 4·(−1) = 8
(a × b)z = axby − aybx = 4·5 − (−2)·2 = 24

Normieren

Die z-Komponente von a × b ist bereits positiv.

|a × b| = √((−8)² + 8² + 24²) = 26,53
n̂ = (−8, 8, 24)/26,53 = (−0,3015, 0,3015, 0,9045)
n̂y = 0,3015

Antwort

n̂y = 0,3015
15.Wahrscheinlichkeit

Antwort: σ = 12

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 = 10·0,3 + 20·0,1 + 30·0,3 + 40·0,3 = 26

Mittelwert der Quadrate

E(X²) = 100·0,3 + 400·0,1 + 900·0,3 + 1600·0,3 = 820

Varianz

Var(X) = 820 − 26² = 144
σ = √144 = 12

Antwort

σ = 12
16.Wahrscheinlichkeit

Antwort: σY = 5,804

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 = 1,55, Var(X) = 1,348, σX = 1,161

Lineare Änderung

σY = |5|·1,161 = 5,804

Antwort

σY = 5,804

Der Mittelwert verschiebt sich sehr wohl: E(Y) = 5·1,55 + 5 = 12,75.

17.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 8,674

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 = 271/7 = 38,71

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = 4,286² + 0,2857² + 1,286² + 13,29² + (−2,714)² + (−0,7143)² + (−15,71)² = 451,4

Standardabweichung

s = √(451,4/6) = 8,674

Antwort

s = 8,674
18.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,3446

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 = 0,4

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(0,4) = 0,6554
P = 1 − 0,6554 = 0,3446

Antwort

P = 0,3446
19.Normalverteilung

Antwort: P = 0,305

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 = 480 g, σT = 1,2·√12 = 4,157 g

Standardisieren

z = (482,1 − 480)/4,157 = 0,51

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(0,51) = 0,305

Antwort

P = 0,305
20.Normalverteilung

Antwort: P = 0,8264

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 Differenz

μ = 25,02 − 25 = 0,02 mm, σ = 0,02121 mm

Standardisieren

z = (0 − 0,02)/0,02121 = −0,94

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−0,94) = 0,8264

Antwort

P = 0,8264

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