Höhere Mathematik für Ingenieure: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 20 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

Neue AufgabenZurück zum Kurs

Wähle im Druckfenster „Als PDF speichern“, um eine Kopie auf deinem Gerät zu behalten.

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→∞ (1 − 2/x)2x. Gib einen Dezimalwert an.

f(x) = (1 − 2/x)2xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
xyx = 0

Bestimme den Grenzwert L = limx→0 ln(1 + 4x)/sin(3x), mit x im Bogenmaß.

f(x) = ln(1 + 4x)/sin(3x)x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
xyx = 2

Gegeben ist f(x) = x·sin(3x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(2).

f(x) = x·sin(3x)x = 2 rad
f′(2) =
4.AbleitungenSchwer
xy

Gegeben ist f(x) = x3 + 7,5x2 + 12x + 6. Bestimme die x-Koordinate x des lokalen Minimums.

f(x) = x3 + 7,5x2 + 12x + 6
x =
5.IntegraleMittel
xy24

Berechne I = ∫24 3/x dx.

f(x) = 3/x[2, 4]
I =
6.IntegraleSchwer
xyy = x2​y = 3x

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = x2 und y = 3x eingeschlossen wird.

y = x2y = 3x
A =
7.Komplexe ZahlenMittel
ReIm22−2−244−4−466−6−6z₁z₂w

Gegeben sind z₁ = 2,5∠100° und z₂ = 3∠45°. Bestimme den Imaginärteil von w = z₁·z₂.

z₁ = 2,5∠100°z₂ = 3∠45°
Im(w) =
8.Komplexe ZahlenSchwer
ReIm11−1−122−2−233−3−3ABCD

Genau einer der Punkte A–D ist eine Lösung von z³ = 8∠90°. Klicke ihn an.

w = 8∠90°n = 3
  1. 1A (2∠−30°)
  2. 2B (2∠180°)
  3. 3C (2∠150°)
  4. 4D (3,6∠−150°)
9.DifferentialgleichungenMittel
t (min)T (°C)15Ta​T = ?

Eine Getränkedose mit 6 °C wird aus dem Kühlschrank in einen Raum mit 26 °C gebracht. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Bestimme mit k = 0,1 min⁻¹ die Temperatur T nach 15 min.

T0 = 6 °CTa = 26 °Ck = 0,1 min⁻¹t = 15 min
T = °C
10.DifferentialgleichungenSchwer
tyK = 5y(0,5) = ?

Ein System gehorcht y″ + y′ + 25,25y = 126,3 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme y(0,5); Winkel im Bogenmaß.

y″ + y′ + 25,25y = 126,3y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
A =30−5−52−254−3

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

A = [3 0 −5; −5 2 −2; 5 4 −3]
det A =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =−2−4−25

Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.

A = [−2 −4; −2 5]
λ =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzdFAB

Eine konstante Kraft F = (−15, 15, −20) N wirkt auf einen Körper, während er sich geradlinig von Punkt A(2, 3, −3) nach Punkt B(3, −3, −4) bewegt. Die Koordinaten sind in Metern angegeben. Bestimme die von der Kraft verrichtete Arbeit W.

F = (−15, 15, −20) NA(2, 3, −3) mB(3, −3, −4) m
W = J
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzab

Bestimme für a = (−1, −4, 5) und b = (2, −6, 0) die z-Komponente (a × b)z des Kreuzprodukts a × b.

a = (−1, −4, 5)b = (2, −6, 0)
(a × b)z =
15.WahrscheinlichkeitMittel
xp(x)10,3520,2530,140,3μ = 2,35

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

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0,35, 0,25, 0,1, 0,3
Var(X) =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
€p(x)−50,75100,2950,05

Ein Spiel kostet €5 Einsatz. Du gewinnst €15 mit der Wahrscheinlichkeit 0,2 und €100 mit der Wahrscheinlichkeit 0,05; sonst gewinnst du nichts. Der Einsatz wird nicht zurückgegeben. Bestimme den erwarteten Nettogewinn E(G) pro Spiel.

Einsatz = €5€15: p = 0,2€100: p = 0,05
E(G) = €
17.Beschreibende StatistikMittel
1520253035404550

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 22, 12, 38, 50, 26, 53.

n = 6
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
z −2−1012

Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit Mittelwert 100 und Standardabweichung 10. Bestimme den z-Wert z eines Ergebnisses von 112,5.

μ = 100σ = 10x = 112,5
z =
19.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche rechts von z = 0,8315

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche unter der Standardnormalverteilung rechts von z gleich 0,8315 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,8315
z =
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 0,02 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 = 0,02 mm
P =

3Lösungen

1.Grenzwerte

Antwort: L = 0,01832

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).

Den Logarithmus bilden

ln L = limx→∞ 2·x·ln(1 − 2/x)

Auswerten

ln(1 + u)/u → 1 für u → 0, also x·ln(1 + a/x) → a.

ln L = 2·(−2) = −4

Den Logarithmus rückgängig machen

L = e−4 = 0,01832

Antwort

L = 0,01832
2.Grenzwerte

Antwort: L = 1,333

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 [4/(1 + 4x)]/[3·cos 3x]

x = 0 einsetzen

L = 4/3 = 1,333

Antwort

L = 1,333
3.Ableitungen

Antwort: f′(2) = 5,482

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.

Produkt- und Kettenregel

f′(x) = sin(3x) + 3x·cos(3x)

Einsetzen

f′(2) = −0,2794 + 6·0,9602 = 5,482

Antwort

f′(2) = 5,482
4.Ableitungen

Antwort: x = −1

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 + 15x + 12 = 3·(x2 + 5x + 4)

f′(x) = 0 lösen

x = −4 oder x = −1

Welches ist welches

f″(x) = 6x + 15: negativ an einem Maximum, positiv an einem Minimum.

f″(−4) = −9, f″(−1) = 9
x = −1

Antwort

x = −1
5.Integrale

Antwort: I = 2,079

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) = 3·ln x

An den Grenzen auswerten

I = 3·(ln 4 − ln 2) = 3·ln 2 = 2,079

Antwort

I = 2,079
6.Integrale

Antwort: A = 4,5

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.

Schnittpunkte

x2 = 3x → x = 0, x = 3

Obere minus untere integrieren

A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5

Antwort

A = 4,5
7.Komplexe Zahlen

Antwort: Im(w) = 4,302

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| = 2,5 · 3 = 7,5
θ = 100° + 45° = 145°

Kartesische Form

Re(w) = 7,5·cos(145°) = −6,144
Im(w) = 7,5·sin(145°) = 4,302
Im(w) = 4,302

Antwort

Im(w) = 4,302
8.Komplexe Zahlen

Antwort: C (2∠150°)

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 und Argumente der Lösungen

|z| = 2
θ = 30°, 150°, −90°

Der Punkt

C = 2∠150°

Antwort

C (2∠150°)
9.Differentialgleichungen

Antwort: T = 21,54 °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) = 26 + (−20)·e−0,1t

t einsetzen

T(15) = 26 + (−20)·0,2231 = 21,54 °C

Antwort

T = 21,54 °C
10.Differentialgleichungen

Antwort: y(0.5) = 7,887

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 = 5, r = −0,5 ± 5j

Konstanten aus den Anfangswerten

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

Auswerten

y(0,5) = 5·(1 − e−0,25(cos 2,5 + 0,1·sin 2,5)) = 7,887

Antwort

y(0,5) = 7,887
11.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = 156

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 = 2, M₁₂ = 25, M₁₃ = −30

Laplace-Entwicklung

det A = 3·2 − 0·25 + (−5)·(−30) = 156

Antwort

det A = 156
12.Matrizen & Determinanten

Antwort: λ = 6

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 + (−18) = 0

Lösen

λ = (3 ± √(81))/2 → λ = −3, 6
λ = 6

Antwort

λ = 6
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: W = −85 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 = (3, −3, −4) − (2, 3, −3) = (1, −6, −1) m

Arbeit

W = F·d = (−15)·1 + 15·(−6) + (−20)·(−1) = −85 J

Antwort

W = −85 J

Negative Arbeit: Die Kraft wirkt überwiegend entgegen der Bewegung.

14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: (a × b)z = 14

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 = (−4)·0 − 5·(−6) = 30
(a × b)y = azbx − axbz = 5·2 − (−1)·0 = 10
(a × b)z = axby − aybx = (−1)·(−6) − (−4)·2 = 14

Gesuchte Komponente

(a × b)z = 14

Antwort

(a × b)z = 14

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

15.Wahrscheinlichkeit

Antwort: Var(X) = 1,528

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

Mittelwert der Quadrate

E(X²) = 1·0,35 + 4·0,25 + 9·0,1 + 16·0,3 = 7,05

Varianz

Var(X) = 7,05 − 2,35² = 1,528

Antwort

Var(X) = 1,528
16.Wahrscheinlichkeit

Antwort: E(G) = 3 €

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: 10 (p = 0,2), 95 (p = 0,05), −5 (p = 0,75)

Erwartungswert

E(G) = 10·0,2 + 95·0,05 − 5·0,75 = 3 €

Antwort

E(G) = 3 €

Ein positiver Wert bedeutet, dass du im Durchschnitt Geld gewinnst.

17.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 16,27

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 = 201/6 = 33,5

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−11,5)² + (−21,5)² + 4,5² + 16,5² + (−7,5)² + 19,5² = 1324

Standardabweichung

s = √(1324/5) = 16,27

Antwort

s = 16,27
18.Beschreibende Statistik

Antwort: z = 1,25

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.

Standardisieren

z = (112,5 − 100)/10 = 1,25

Antwort

z = 1,25
19.Normalverteilung

Antwort: z = −0,96

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 − 0,8315 = 0,1685

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,1685 in der Tabelle und lies z ab.

z = −0,96

Antwort

z = −0,96
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 = 25,02 − 25 = 0,02 mm, σ = 0,025 mm

Standardisieren

z = (0 − 0,02)/0,025 = −0,8

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−0,8) = 0,7881

Antwort

P = 0,7881

ExamProblems · examproblems.com/courses/engineering-mathematics