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→∞ (√(x2 − 6x) − x).
f(x) = √(x2 − 6x) − xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
Bestimme den Grenzwert L = limx→0 ln(1 + 3x)/sin(4x), mit x im Bogenmaß.
f(x) = ln(1 + 3x)/sin(4x)x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
Gegeben ist f(x) = x2·e0,5x. Bestimme f′(1).
f(x) = x2·e0,5xx = 1
f′(1) =
4.AbleitungenSchwer
Die Tangente an f(x) = 3x2 + 3x − 1 bei x = 1 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.
f(x) = 3x2 + 3x − 1x = 1
b =
5.IntegraleMittel
Berechne I = ∫01 ex dx.
f(x) = ex[0, 1]
I =
6.IntegraleSchwer
Das Gebiet zwischen der Geraden y = 2x und der Parabel y = 2x² wird um die x-Achse gedreht. Bestimme das Volumen V des entstehenden Körpers.
y = 2xy = 2x²
V =
7.Komplexe ZahlenMittel
Gegeben sind z₁ = 4∠70° und z₂ = 2∠65°. Bestimme den Realteil von w = z₁·z₂.
z₁ = 4∠70°z₂ = 2∠65°
Re(w) =
8.Komplexe ZahlenSchwer
Die Gleichung z² + 5z + 31,25 = 0 hat zwei komplexe Lösungen. Bestimme ihren Betrag |z|.
p = 5q = 31,25
|z| =
9.DifferentialgleichungenMittel
Ein geschmiedetes Stahlteil mit 400 °C kühlt in einer Werkstatt mit 22 °C ab. Nach 23 min beträgt die Temperatur 261 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wie lange nach dem Start, t, dauert es, bis 165 °C erreicht sind?
T0 = 400 °CTa = 22 °CT(23) = 261 °CT = 165 °C
t = min
10.DifferentialgleichungenSchwer
Löse y′ + y = 6e−2t mit y(0) = 3. Bestimme y(1,5).
y′ + y = 6e−2ty(0) = 3
y(1.5) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c12 (Zeile 1, Spalte 2).
A = [3 −4; −1 −4]B = [3 2; 5 6]
c12 =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.
A = [0 1; −2 −3]
λ =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
Bestimme die skalare Projektion compb a von a = (5, 3, −5) auf b = (−4, −5, −1), also die Komponente von a in Richtung von b.
a = (5, 3, −5)b = (−4, −5, −1)
compb a =
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
Bestimme das Volumen V des Spats (Parallelepipeds), dessen Kanten von einer Ecke aus a = (3, 5, 3), b = (−1, −5, 0) und c = (−5, −5, 0) sind.
a = (3, 5, 3)b = (−1, −5, 0)c = (−5, −5, 0)
V =
15.WahrscheinlichkeitMittel
Bestimme für die gezeigte Verteilung die Varianz Var(X) von X.
x: 1, 2, 3, 4, 5p(x): 0,3, 0,1, 0,3, 0,1, 0,2
Var(X) =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
Ein Spiel kostet €1 Einsatz. Du gewinnst €4 mit der Wahrscheinlichkeit 0,25 und €10 mit der Wahrscheinlichkeit 0,01; sonst gewinnst du nichts. Der Einsatz wird nicht zurückgegeben. Bestimme den erwarteten Nettogewinn E(G) pro Spiel.
Einsatz = €1€4: p = 0,25€10: p = 0,01
E(G) = €
17.Beschreibende StatistikMittel
Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 38, 46, 54, 14, 38, 39, 36.
n = 7
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 70 und Standardabweichung 10. Welcher Anteil P der Werte liegt unter 58?
μ = 70σ = 10x = 58
P =
19.NormalverteilungMittel
Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Welcher Anteil liegt zwischen 45,5 und 70 Punkte? Gib P als Dezimalzahl an.
μ = 65σ = 10x1 = 45,5x2 = 70
P =
20.NormalverteilungSchwer
Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten oberen 5 % rechts davon liegen. Bestimme die Grenze x.
μ = 250 gσ = 5 g5%
x = g
3Lösungen
1.Grenzwerte
Antwort: L = −3
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) = −6x/(√(x2 − 6x) + x)
Durch x teilen
f(x) = −6/(√(1 + (−6)/x) + 1)
x → ∞ laufen lassen
L = −6/(1 + 1) = −3
Antwort
L = −3
2.Grenzwerte
Antwort: L = 0,75
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).
Regel von L'Hôpital
L = limx→0 [3/(1 + 3x)]/[4·cos 4x]
x = 0 einsetzen
L = 3/4 = 0,75
Antwort
L = 0,75
3.Ableitungen
Antwort: f′(1) = 4,122
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′(1) = 1,649·(2 + 0,5) = 4,122
Antwort
f′(1) = 4,122
4.Ableitungen
Antwort: b = −4
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) = 5
f′(x) = 6x + 3 → f′(1) = 9
Tangente bei x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 5 − 9·1 = −4
Antwort
b = −4
5.Integrale
Antwort: I = 1,718
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) = ex/1
An den Grenzen auswerten
I = (e1 − 1)/1 = (2,718 − 1)/1 = 1,718
Antwort
I = 1,718
6.Integrale
Antwort: V = 1,676
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
2x = 2x² → x = 0, x = 1
Ringmethode
V = π∫₀1 ((2x)² − (2x²)²) dx
Integrieren
V = π(4·1³/3 − 4·1⁵/5) = π·0,5333 = 1,676
Antwort
V = 1,676
7.Komplexe Zahlen
Antwort: Re(w) = −5,657
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| = 4 · 2 = 8
θ = 70° + 65° = 135°
Kartesische Form
Re(w) = 8·cos(135°) = −5,657
Im(w) = 8·sin(135°) = 5,657
Re(w) = −5,657
Antwort
Re(w) = −5,657
8.Komplexe Zahlen
Antwort: |z| = 5,59
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 = 25 − 125 = −100 < 0
Lösungsformel
z = (−5 ± j√100)/2 = −2,5 + j5, −2,5 − j5
Antwort
|z| = √((−2,5)² + 5²) = √31,25 = 5,59
Antwort
|z| = 5,59
9.Differentialgleichungen
Antwort: t = 48,77 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(378/239)/23 = 0,01993 min⁻¹
Zeit bis zum Zielwert
t = ln(378/143)/0,01993 = 48,77 min
Antwort
t = 48,77 min
10.Differentialgleichungen
Antwort: y(1.5) = 1,709
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 = et
(ety)′ = 6e−t
Allgemeine Lösung
y = 6/(−1)·e−2t + C·e−t = −6·e−2t + C·e−t
Anfangsbedingung
3 = −6 + C → C = 9
Auswerten
y(1,5) = −6·0,04979 + 9·0,2231 = 1,709
Antwort
y(1,5) = 1,709
11.Matrizen & Determinanten
Antwort: c12 = −18
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
c12 = 3·2 + (−4)·6 = −18
Antwort
c12 = −18
12.Matrizen & Determinanten
Antwort: λ = −1
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 − (−3)λ + (2) = 0
Lösen
λ = (−3 ± √(1))/2 → λ = −2, −1
λ = −1
Antwort
λ = −1
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: compb a = −4,629
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 = 5·(−4) + 3·(−5) + (−5)·(−1) = −30
Länge von b
|b| = √((−4)² + (−5)² + (−1)²) = 6,481
Skalare Projektion
compb a = a·b/|b| = −30/6,481 = −4,629
Antwort
compb a = −4,629
Negativ: a hat eine Komponente, die entgegen b zeigt.
14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt
Antwort: V = 60
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.
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.
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.
Nettoergebnisse
G: 3 (p = 0,25), 9 (p = 0,01), −1 (p = 0,74)
Erwartungswert
E(G) = 3·0,25 + 9·0,01 − 1·0,74 = 0,1 €
Antwort
E(G) = 0,1 €
Ein positiver Wert bedeutet, dass du im Durchschnitt Geld gewinnst.
17.Beschreibende Statistik
Antwort: s = 12,25
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 = −1,2
Standardnormalverteilungstabelle
Φ(−1,2) = 0,1151
P = 0,1151
Antwort
P = 0,1151
19.Normalverteilung
Antwort: P = 0,6659
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 = (45,5 − 65)/10 = −1,95
z₂ = (70 − 65)/10 = 0,5
Fläche dazwischen
P = Φ(0,5) − Φ(−1,95) = 0,6915 − 0,02559 = 0,6659
Antwort
P = 0,6659
20.Normalverteilung
Antwort: x = 258,2 g
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.