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→∞ (√(4x2 − 7x) − 2x).

f(x) = √(4x2 − 7x) − 2xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
xyx = 0

Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (1 − cos 4x)/(3x²), mit x im Bogenmaß.

f(x) = (1 − cos 4x)/(3x²)x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
xyx = 2

Gegeben ist f(x) = x2·e0,5x. Bestimme f′(2).

f(x) = x2·e0,5xx = 2
f′(2) =
4.AbleitungenSchwer
xyx = −1

Die Tangente an f(x) = 3x2 − 5x − 6 bei x = −1 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.

f(x) = 3x2 − 5x − 6x = −1
b =
5.IntegraleMittel
xy02

Berechne I = ∫02 e0,5x dx.

f(x) = e0,5x[0, 2]
I =
6.IntegraleSchwer
xy−11

Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 1 − x² und der x-Achse.

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

Die Zahl z = 2,5·ej0,4 hat ihren Winkel im Bogenmaß. Bestimme ihren Imaginärteil b.

r = 2,5θ = 0,4 rad
b =
8.Komplexe ZahlenSchwer
ReIm11−1−122−2−2θz

Bestimme den Realteil von (2 − j2)⁵.

z = 2 − j2n = 5
Re(z⁵) =
9.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 5y(1) = ?

Löse y″ + 2y′ + y = 0 mit y(0) = 5 und y′(0) = 0. Bestimme y(1).

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1) =
10.DifferentialgleichungenSchwer
xy12(1, 2)y(2) = ?

Löse das Anfangswertproblem y′ + 2y/x = x2 für x > 0 mit y(1) = 2. Bestimme y(2).

y′ + 2y/x = x2y(1) = 2
y(2) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
A =−2−5−5−50203−4

Bestimme die Determinante det A der gezeigten 3×3-Matrix A.

A = [−2 −5 −5; −5 0 2; 0 3 −4]
det A =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =−126−3b =−95

Löse das Gleichungssystem −x + 2y = −9 und 6x − 3y = 5. Bestimme x.

−x + 2y = −96x − 3y = 5
x =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzdFAB

Eine konstante Kraft F = (15, −25, −20) N wirkt auf einen Körper, während er sich geradlinig von Punkt A(−4, −1, 5) nach Punkt B(1, 0, 5) bewegt. Die Koordinaten sind in Metern angegeben. Bestimme die von der Kraft verrichtete Arbeit W.

F = (15, −25, −20) NA(−4, −1, 5) mB(1, 0, 5) m
W = J
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzab

Bestimme für a = (6, 2, 1) und b = (1, −5, 1) die x-Komponente (a × b)x des Kreuzprodukts a × b.

a = (6, 2, 1)b = (1, −5, 1)
(a × b)x =
15.WahrscheinlichkeitMittel
xp(x)00,110,2520,3530,140,2μ = 2,05

Bestimme für die gezeigte Verteilung die Varianz Var(X) von X.

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0,1, 0,25, 0,35, 0,1, 0,2
Var(X) =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
xp(x)00,3510,3520,3μ

X hat die gezeigte Verteilung, und Y = 5X + 1. Bestimme die Standardabweichung σY von Y.

x: 0, 1, 2p(x): 0,35, 0,35, 0,3Y = 5X + 1
σY =
17.Beschreibende StatistikMittel
1520253035404550

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 14, 13, 54, 43, 19, 32, 51.

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

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 50 und Standardabweichung 10. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 42.

μ = 50σ = 10x = 42
z =
19.NormalverteilungMittel
340 kg352 kgT = X₁ + … + X₄?

Gegeben sind Passagiere mit Gepäck; ihre Massen sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 85 kg und der Standardabweichung 12 kg. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass die Gesamtmasse von 4 davon 352 kg übersteigt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μ = 85 kgσ = 12 kgn = 4> 352 kg
P =
20.NormalverteilungSchwer
4 s0X − Y?

Die Rundenzeit X von Läufer A und die Rundenzeit Y von Läufer B sind unabhängig und normalverteilt: X hat den Mittelwert 52 s und die Standardabweichung 4 s, Y hat den Mittelwert 48 s und die Standardabweichung 3 s. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X größer als Y ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 52 s, σX = 4 sμY = 48 s, σY = 3 s
P =

3Lösungen

1.Grenzwerte

Antwort: L = −1,75

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) = −7x/(√(4x2 − 7x) + 2x)

Durch x teilen

f(x) = −7/(√(4 + (−7)/x) + 2)

x → ∞ laufen lassen

L = −7/(2 + 2) = −1,75

Antwort

L = −1,75
2.Grenzwerte

Antwort: L = 2,667

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

4·sin 4x/(6x) → 0/0

Zweite Anwendung

16·cos 4x/6

x = 0 einsetzen

L = 16/6 = 2,667

Antwort

L = 2,667
3.Ableitungen

Antwort: f′(2) = 16,31

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′ = e0,5x·(2x + 0,5·x2)

Einsetzen

f′(2) = 2,718·(4 + 2) = 16,31

Antwort

f′(2) = 16,31
4.Ableitungen

Antwort: b = −9

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
f′(x) = 6x − 5 → f′(−1) = −11

Tangente bei x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 2 − (−11)·(−1) = −9

Antwort

b = −9
5.Integrale

Antwort: I = 3,437

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) = e0,5x/0,5

An den Grenzen auswerten

I = (e1 − 1)/0,5 = (2,718 − 1)/0,5 = 3,437

Antwort

I = 3,437
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: b = 0,9735

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.

Eulersche Formel

z = 2,5·(cos 0,4 + j sin 0,4)

Komponenten (Bogenmaß)

a = 2,5·cos 0,4 = 2,303
b = 2,5·sin 0,4 = 0,9735
b = 0,9735

Antwort

b = 0,9735
8.Komplexe Zahlen

Antwort: Re(z⁵) = −128

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 = (2 − j2)(2 − j2) = −j8
z³ = (−j8)(2 − j2) = −16 − j16
z⁴ = (−16 − j16)(2 − j2) = −64
z⁵ = (−64)(2 − j2) = −128 + j128

Mit De Moivre kontrollieren

z = 2,828∠−45° → z⁵ = 181∠135°
Re(z⁵) = −128

Antwort

Re(z⁵) = −128
9.Differentialgleichungen

Antwort: y(1) = 3,679

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 + 1)² = 0 → r = −1

Konstanten

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 1A → B = 0 + 5 = 5

Auswerten

y(1) = (5 + 5·1)·e−1 = 3,679

Antwort

y(1) = 3,679
10.Differentialgleichungen

Antwort: y(2) = 2,05

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)′ = x4 → x2y = 1x5/5 + C

Anfangsbedingung

2 = 1/5 + C → C = 1,8

Auswerten

y(2) = (1·25/5 + 1,8)/22 = 2,05

Antwort

y(2) = 2,05
11.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = 187

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 = −6, M₁₂ = 20, M₁₃ = −15

Laplace-Entwicklung

det A = (−2)·(−6) − (−5)·20 + (−5)·(−15) = 187

Antwort

det A = 187
12.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = −1,889

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 = (−1)·(−3) − 2·6 = −9

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = (−9)·(−3) − 2·5 = 17
x = 17/(−9) = −1,889

Antwort

x = −1,889
y = −5,444
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: W = 50 J

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.

Weg

d = B − A = (1, 0, 5) − (−4, −1, 5) = (5, 1, 0) m

Arbeit

W = F·d = 15·5 + (−25)·1 + (−20)·0 = 50 J

Antwort

W = 50 J
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: (a × b)x = 7

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, Komponente für Komponente

(a × b)x = aybz − azby = 2·1 − 1·(−5) = 7
(a × b)y = azbx − axbz = 1·1 − 6·1 = −5
(a × b)z = axby − aybx = 6·(−5) − 2·1 = −32

Gesuchte Komponente

(a × b)x = 7

Antwort

(a × b)x = 7

Kontrolle: a × b steht senkrecht auf beiden Vektoren, sein Skalarprodukt mit a und mit b ist also null.

15.Wahrscheinlichkeit

Antwort: Var(X) = 1,548

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 = 0·0,1 + 1·0,25 + 2·0,35 + 3·0,1 + 4·0,2 = 2,05

Mittelwert der Quadrate

E(X²) = 0·0,1 + 1·0,25 + 4·0,35 + 9·0,1 + 16·0,2 = 5,75

Varianz

Var(X) = 5,75 − 2,05² = 1,548

Antwort

Var(X) = 1,548
16.Wahrscheinlichkeit

Antwort: σY = 4,023

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 = 0,95, Var(X) = 0,6475, σX = 0,8047

Lineare Änderung

σY = |5|·0,8047 = 4,023

Antwort

σY = 4,023

Der Mittelwert verschiebt sich sehr wohl: E(Y) = 5·0,95 + 1 = 5,75.

17.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 17,41

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 = 226/7 = 32,29

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−18,29)² + (−19,29)² + 21,71² + 10,71² + (−13,29)² + (−0,2857)² + 18,71² = 1819

Standardabweichung

s = √(1819/6) = 17,41

Antwort

s = 17,41
18.Beschreibende Statistik

Antwort: z = −0,8

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 = (42 − 50)/10 = −0,8

Antwort

z = −0,8
19.Normalverteilung

Antwort: P = 0,3085

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 = 340 kg, σT = 12·√4 = 24 kg

Standardisieren

z = (352 − 340)/24 = 0,5

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(0,5) = 0,3085

Antwort

P = 0,3085
20.Normalverteilung

Antwort: P = 0,7881

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 = 52 − 48 = 4 s, σ = 5 s

Standardisieren

z = (0 − 4)/5 = −0,8

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−0,8) = 0,7881

Antwort

P = 0,7881

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