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 + 8x) − 2x).
f(x) = √(4x2 + 8x) − 2xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (e1,5x − 1 − 1,5x)/x².
f(x) = (e1,5x − 1 − 1,5x)/x²x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = (−2x + 3)4. Bestimme f′(−1).
f(x) = (−2x + 3)4x = −1
f′(−1) =
4.AbleitungenSchwer
Gegeben ist f(x) = x3 − 12x2 + 45x + 1. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Maximums.
f(x) = x3 − 12x2 + 45x + 1
x =
5.IntegraleMittel
Berechne I = ∫₀π x·cos x dx (x im Bogenmaß).
∫₀π x·cos x dx
I =
6.IntegraleSchwer
Bestimme die Fläche A zwischen der Parabel y = 9 − x² und der x-Achse.
y = 9 − x²
A =
7.Komplexe ZahlenMittel
Gegeben sind z₁ = 3∠40° und z₂ = 0,5∠−140°. Bestimme den Imaginärteil von w = z₁·z₂.
z₁ = 3∠40°z₂ = 0,5∠−140°
Im(w) =
8.Komplexe ZahlenSchwer
Die Gleichung z² + 4z + 8 = 0 hat zwei komplexe Lösungen. Bestimme ihren Betrag |z|.
p = 4q = 8
|z| =
9.DifferentialgleichungenMittel
Eine Tasse Kaffee mit 80 °C steht in einem Raum mit 23 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme mit k = 0,07 min⁻¹ die Temperatur T nach 17 min.
T0 = 80 °CTa = 23 °Ck = 0,07 min⁻¹t = 17 min
T = °C
10.DifferentialgleichungenSchwer
Ein System gehorcht y″ + y′ + 9,25y = 9,25 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme den Spitzenwert ymax seiner Sprungantwort.
y″ + y′ + 9,25y = 9,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c21 (Zeile 2, Spalte 1).
A = [4 0; 6 1]B = [6 0; 1 4]
c21 =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.
A = [−1 −2; −5 2]
λ =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
Bestimme den Wert von k, für den die Vektoren a = (6, 4, −2) und b = (−3, 2, k) senkrecht aufeinander stehen.
a = (6, 4, −2)b = (−3, 2, k)
k =
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
Bestimme für a = (3, 5, −4) und b = (3, 6, −1) die z-Komponente (a × b)z des Kreuzprodukts a × b.
a = (3, 5, −4)b = (3, 6, −1)
(a × b)z =
15.WahrscheinlichkeitMittel
Ein fairer Würfel wird 8-mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, mindestens eine Sechs zu würfeln?
n = 8
P =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
X hat die gezeigte Verteilung, und Y = 3X + 5. Bestimme die Standardabweichung σY von Y.
x: 0, 1, 2, 3p(x): 0,35, 0,2, 0,3, 0,15Y = 3X + 5
σY =
17.Beschreibende StatistikMittel
Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 39, 39, 35, 12, 37.
n = 5
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 50 und Standardabweichung 20. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 80.
μ = 50σ = 20x = 80
z =
19.NormalverteilungMittel
Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Welcher Anteil liegt zwischen 45 und 75 Punkte? Gib P als Dezimalzahl an.
μ = 65σ = 10x1 = 45x2 = 75
P =
20.NormalverteilungSchwer
Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten oberen 25 % rechts davon liegen. Bestimme die Grenze x.
μ = 500 hσ = 40 h25%
x = h
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).
Mit der Konjugierten erweitern
f(x) = 8x/(√(4x2 + 8x) + 2x)
Durch x teilen
f(x) = 8/(√(4 + 8/x) + 2)
x → ∞ laufen lassen
L = 8/(2 + 2) = 2
Antwort
L = 2
2.Grenzwerte
Antwort: L = 1,125
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
(1,5·e1,5x − 1,5)/(2x) → 0/0
Zweite Anwendung
2,25·e1,5x/2
x = 0 einsetzen
L = 2,25·1/2 = 1,125
Antwort
L = 1,125
3.Ableitungen
Antwort: f′(−1) = −1000
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·(−2x + 3)3·(−2)
Einsetzen
f′(−1) = 4·53·(−2) = −1000
Antwort
f′(−1) = −1000
4.Ableitungen
Antwort: x = 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.
Ableitung
f′(x) = 3x2 − 24x + 45 = 3·(x2 − 8x + 15)
f′(x) = 0 lösen
x = 3 oder x = 5
Welches ist welches
f″(x) = 6x − 24: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.
f″(3) = −6, f″(5) = 6
x = 3
Antwort
x = 3
5.Integrale
Antwort: I = −2
Partielle Integration: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, aus der Produktregel. Wähle u als den Faktor, der beim Ableiten einfacher wird (eine Potenz von x oder ln x), und dv als den Faktor, den du integrieren kannst (eˣ, sin x, cos x oder x, wenn u = ln x). Werte bei einem bestimmten Integral u·v an beiden Grenzen aus: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Ein Faktor x² braucht zwei Runden.
u und dv wählen
u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Stammfunktion
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Grenzwerte
(π·sin π + cos π) − (0 + 1) = −2
Antwort
I = −2
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: Im(w) = −1,477
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| = 3 · 0,5 = 1,5
θ = 40° + (−140)° = −100°
Kartesische Form
Re(w) = 1,5·cos(−100°) = −0,2605
Im(w) = 1,5·sin(−100°) = −1,477
Im(w) = −1,477
Antwort
Im(w) = −1,477
8.Komplexe Zahlen
Antwort: |z| = 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.
Diskriminante
p² − 4q = 16 − 32 = −16 < 0
Lösungsformel
z = (−4 ± j√16)/2 = −2 + j2, −2 − j2
Antwort
|z| = √((−2)² + 2²) = √8 = 2,828
Antwort
|z| = 2,828
9.Differentialgleichungen
Antwort: T = 40,34 °C
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.
Lösung des Abkühlungsgesetzes
T(t) = 23 + 57·e−0,07t
t einsetzen
T(17) = 23 + 57·0,3042 = 40,34 °C
Antwort
T = 40,34 °C
10.Differentialgleichungen
Antwort: ymax = 1,592
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.
Stationärer Wert und Wurzeln
yss = 1, r = −0,5 ± 3j
Konstanten aus den Anfangswerten
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −0,5A + 3B = 0 → B = −0,1667
Spitzenwert
t = π/3 = 1,047
ymax = 1·(1 + e−0,5·π/3) = 1,592
Antwort
ymax = 1,592
11.Matrizen & Determinanten
Antwort: c21 = 37
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 = 6·6 + 1·1 = 37
Antwort
c21 = 37
12.Matrizen & Determinanten
Antwort: λ = 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.
Charakteristische Gleichung
λ² − (1)λ + (−12) = 0
Lösen
λ = (1 ± √(49))/2 → λ = −3, 4
λ = 4
Antwort
λ = 4
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: k = −5
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 gleich null
a·b = 6·(−3) + 4·2 + (−2)·k = 0
−10 + (−2)·k = 0
Nach k auflösen
k = −(−10)/(−2) = −5
Antwort
k = −5
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: (a × b)z = 3
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 = 5·(−1) − (−4)·6 = 19
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·3 − 3·(−1) = −9
(a × b)z = axby − aybx = 3·6 − 5·3 = 3
Gesuchte Komponente
(a × b)z = 3
Antwort
(a × b)z = 3
Kontrolle: a × b steht senkrecht auf beiden Vektoren, sein Skalarprodukt mit a und mit b ist also null.
15.Wahrscheinlichkeit
Antwort: P = 0,7674
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.
Gegenereignis
P(keine Sechs) = (5/6)8 = 0,2326
P = 1 − 0,2326 = 0,7674
Antwort
P = 0,7674
16.Wahrscheinlichkeit
Antwort: σY = 3,269
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 = 1,25, Var(X) = 1,188, σX = 1,09
Lineare Änderung
σY = |3|·1,09 = 3,269
Antwort
σY = 3,269
Der Mittelwert verschiebt sich sehr wohl: E(Y) = 3·1,25 + 5 = 8,75.
17.Beschreibende Statistik
Antwort: s = 11,52
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 = (80 − 50)/20 = 1,5
Antwort
z = 1,5
19.Normalverteilung
Antwort: P = 0,8186
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 = (45 − 65)/10 = −2
z₂ = (75 − 65)/10 = 1
Fläche dazwischen
P = Φ(1) − Φ(−2) = 0,8413 − 0,02275 = 0,8186
Antwort
P = 0,8186
20.Normalverteilung
Antwort: x = 527 h
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.