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→∞ (6x2 + 2x − 1)/(3x2 + 3x + 7).
f(x) = (6x2 + 2x − 1)/(3x2 + 3x + 7)x → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
Bestimme den Grenzwert L = limx→0 ln(1 + 5x)/sin(2x), mit x im Bogenmaß.
f(x) = ln(1 + 5x)/sin(2x)x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x·e−0,5x. Bestimme f′(1,5).
f(x) = x·e−0,5xx = 1,5
f′(1.5) =
4.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 0,5x2 + 3x + 5 bei x = −1 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 0,5x2 + 3x + 5x = −1
b =
5.IntegraleMittel
Berechne I = ∫02 e−x dx.
f(x) = e−x[0, 2]
I =
6.IntegraleSchwer
Das Gebiet zwischen der Geraden y = 5x und der Parabel y = 3x² wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers.
y = 5xy = 3x²
V =
7.Komplexe ZahlenMittel
Schreibe z = 4∠65° in kartesischer Form a + jb und gib den Realteil a an.
r = 4θ = 65°
a =
8.Komplexe ZahlenSchwer
Bestimme mit dem Satz von De Moivre den Imaginärteil von z⁸ für z = 1 + j√3.
z = 1 + j√3n = 8
Im(z⁸) =
9.DifferentialgleichungenMittel
Ein geschmiedetes Stahlteil mit 500 °C kühlt in einer Werkstatt mit 22 °C ab. Nach 53 min beträgt die Temperatur 188 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme die Konstante k in min⁻¹.
T0 = 500 °CTa = 22 °CT(53) = 188 °C
k = min⁻¹
10.DifferentialgleichungenSchwer
Löse das Anfangswertproblem y′ + 3y/x = 1 für x > 0 mit y(1) = 2. Bestimme y(2).
y′ + 3y/x = 1y(1) = 2
y(2) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
Bestimme die Determinante det A der gezeigten 3×3-Matrix A.
A = [1 2 3; 0 1 0; 0 −1 −3]
det A =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
Löse das Gleichungssystem −3x + 6y = −6 und x + 3y = 5. Bestimme x.
−3x + 6y = −6x + 3y = 5
x =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
Bestimme den Wert von k, für den die Vektoren a = (−2, −5, 5) und b = (−2, 6, k) senkrecht aufeinander stehen.
a = (−2, −5, 5)b = (−2, 6, k)
k =
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
Bestimme die Fläche A des Parallelogramms, das von a = (5, −2, −1) und b = (5, −4, 3) aufgespannt wird.
a = (5, −2, −1)b = (5, −4, 3)
A =
15.WahrscheinlichkeitMittel
Ein Beutel enthält 5 rote und 3 blaue Kugeln. Du ziehst zwei Kugeln, ohne die erste zurückzulegen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, dass beide rot sind?
5 / 3
P =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
6 Bauteile werden geprüft, und jedes fällt unabhängig mit Wahrscheinlichkeit 0,1 aus. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, dass höchstens eines ausfällt?
n = 6p = 0,1
P =
17.Beschreibende StatistikMittel
Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 53, 49, 12, 37, 45.
n = 5
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 170 und Standardabweichung 20. Welcher Anteil P der Werte liegt unter 210?
μ = 170σ = 20x = 210
P =
19.NormalverteilungMittel
Ziehe z so, dass die schattierte Fläche unter der Standardnormalverteilung rechts von z gleich 0,9382 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.
A = 0,9382
z =
20.NormalverteilungSchwer
Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten unteren 40 % links davon liegen. Bestimme die Grenze x.
μ = 100 Punkteσ = 15 Punkte40%
x = Punkte
3Lösungen
1.Grenzwerte
Antwort: L = 2
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 + 2/x + (−1)/x2)/(3 + 3/x + 7/x2)
x → ∞ laufen lassen
L = 6/3 = 2
Antwort
L = 2
Bei gleichem Grad ist der Grenzwert das Verhältnis der Leitkoeffizienten.
2.Grenzwerte
Antwort: L = 2,5
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).
Regel von L'Hôpital
L = limx→0 [5/(1 + 5x)]/[2·cos 2x]
x = 0 einsetzen
L = 5/2 = 2,5
Antwort
L = 2,5
3.Ableitungen
Antwort: f′(1.5) = 0,1181
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·(1 + (−0,5)·x)
Einsetzen
f′(1,5) = 0,4724·(1 + (−0,75)) = 0,1181
Antwort
f′(1,5) = 0,1181
4.Ableitungen
Antwort: b = 4,5
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) = 2,5
f′(x) = x + 3 → f′(−1) = 2
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 2,5 − 2·(−1) = 4,5
Antwort
b = 4,5
5.Integrale
Antwort: I = 0,8647
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) = e−x/(−1)
An den Grenzen auswerten
I = (e−2 − 1)/(−1) = (0,1353 − 1)/(−1) = 0,8647
Antwort
I = 0,8647
6.Integrale
Antwort: V = 48,48
Rotationsvolumen: Dreht man das Gebiet unter y = f(x) von x = a bis x = b um die x-Achse, entsteht ein Körper, dessen Querschnitt bei x eine Kreisscheibe mit Radius f(x) ist. Die Summe der Scheiben ergibt V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Liegt das Gebiet zwischen einer äußeren Kurve R(x) und einer inneren Kurve r(x), ist jede Scheibe ein Ring: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Quadriere die Radien, bevor du sie subtrahierst.
Schnittpunkte
5x = 3x² → x = 0, x = 1,667
Ringmethode
V = π∫₀1,667 ((5x)² − (3x²)²) dx
Integrieren
V = π(25·1,667³/3 − 9·1,667⁵/5) = π·15,43 = 48,48
Antwort
V = 48,48
7.Komplexe Zahlen
Antwort: a = 1,69
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 = 4·cos(65°) = 1,69
b = 4·sin(65°) = 3,625
Kartesische Form
z = 1,69 + j3,625
a = 1,69
Antwort
a = 1,69
8.Komplexe Zahlen
Antwort: Im(z⁸) = 221,7
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.
Polarform
z = 1 + j√3 = 2∠60°
De Moivre
z⁸ = (2)⁸∠480° = 256∠120°
Kartesische Form
z⁸ = 256·(cos 120° + j sin 120°) = −128 + j221,7
Im(z⁸) = 221,7
Antwort
Im(z⁸) = 221,7
9.Differentialgleichungen
Antwort: k = 0,01996 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−53k = 166/478
Nach k auflösen
k = ln(478/166)/53 = 0,01996 min⁻¹
Antwort
k = 0,01996 min⁻¹
10.Differentialgleichungen
Antwort: y(2) = 0,7188
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∫3/x dx = x3
Integrieren
(x3y)′ = x3 → x3y = 1x4/4 + C
Anfangsbedingung
2 = 1/4 + C → C = 1,75
Auswerten
y(2) = (1·24/4 + 1,75)/23 = 0,7188
Antwort
y(2) = 0,7188
11.Matrizen & Determinanten
Antwort: det A = −3
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 = −3, M₁₂ = 0, M₁₃ = 0
Laplace-Entwicklung
det A = 1·(−3) − 2·0 + 3·0 = −3
Antwort
det A = −3
12.Matrizen & Determinanten
Antwort: x = 3,2
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)·3 − 6·1 = −15
Die x-Spalte ersetzen
det Aₓ = (−6)·3 − 6·5 = −48
x = −48/(−15) = 3,2
Antwort
x = 3,2
y = 0,6
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: k = 5,2
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 gleich null
a·b = (−2)·(−2) + (−5)·6 + 5·k = 0
−26 + 5·k = 0
Nach k auflösen
k = −(−26)/5 = 5,2
Antwort
k = 5,2
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: A = 24,49
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
(a × b)x = aybz − azby = (−2)·3 − (−1)·(−4) = −10
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·5 − 5·3 = −20
(a × b)z = axby − aybx = 5·(−4) − (−2)·5 = −10
Fläche
A = |a × b| = √((−10)² + (−20)² + (−10)²) = 24,49
Antwort
A = 24,49
15.Wahrscheinlichkeit
Antwort: P = 0,3571
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 = 5/8 · 4/7 = 20/56 = 0,3571
Antwort
P = 0,3571
16.Wahrscheinlichkeit
Antwort: P = 0,8857
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.
Null und ein Ausfall
P(X = 0) = 0,96 = 0,5314
P(X = 1) = 6·0,1·0,95 = 0,3543
Addieren
P = 0,5314 + 0,3543 = 0,8857
Antwort
P = 0,8857
17.Beschreibende Statistik
Antwort: s = 16,32
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) = 0,9772
P = 0,9772
Antwort
P = 0,9772
19.Normalverteilung
Antwort: z = −1,54
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.
Fläche links von z
Φ(z) = 1 − 0,9382 = 0,0618
Die z-Tabelle rückwärts lesen
Finde 0,0618 in der Tabelle und lies z ab.
z = −1,54
Antwort
z = −1,54
20.Normalverteilung
Antwort: x = 96,3 Punkte
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.