Numerische Verfahren: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 8 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

Numerische Verfahren

Bisektion
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton-Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Lineare Interpolation
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Trapezregel
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Simpson-Regel (n gerade)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Fehlerschranke der Trapezregel
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Methode

  1. Bei einer Nullstelle: Prüfe den Vorzeichenwechsel für die Bisektion oder berechne f und f′ für Newton, und behalte sechs oder mehr Stellen in einer Tabelle der Iterierten.
  2. Für einen Tabellenwert: Interpoliere linear zwischen den beiden benachbarten Punkten.
  3. Für ein Integral: Bestimme h = (b − a)/n, liste f an jedem Knoten auf, wende die Gewichte an (1, 2, …, 2, 1 für Trapez; 1, 4, 2, …, 4, 1 für Simpson mit geradem n) und multipliziere mit h/2 bzw. h/3.
  4. Für eine Differentialgleichung: Gehe von t₀ aus mit yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) oder der gemittelten Steigung (Heun) schrittweise vor, eine Zeile pro Schritt, bis du das gesuchte t erreichst.

Folgen & Reihen

Arithmetische Folge
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Geometrische Folge
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Unendliche geometrische Reihe
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-Reihe
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Quotientenkriterium
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Konvergenzradius
R = lim |ck/ck+1|
Taylor-Polynom
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Maclaurin-Reihe
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Lagrangesche Fehlerschranke
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Methode

  1. Erkenne den Typ: arithmetisch (konstante Differenz), geometrisch (konstanter Quotient), eine Standardreihe, eine Potenzreihe oder ein Taylor-Polynom.
  2. Verwende für Summen Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) oder S = a₁/(1 − r) für |r| < 1, wobei a₁ das erste Glied der Summe ist.
  3. Zur Konvergenz: erst das Trivialkriterium, dann der Vergleich mit Σ1/kᵖ oder einer geometrischen Reihe, und bei Fakultäten und k-ten Potenzen das Quotienten- oder Wurzelkriterium.
  4. Liste für Taylor-Polynome f(a), f′(a), f″(a), … auf, teile die k-te Ableitung durch k! und schätze den Fehler mit M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)! ab.

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)

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

2Übungsaufgaben

1.Numerische VerfahrenMittel
xy00,51

Nähere ∫01 √(1 + x³) dx mit der Simpson-Regel mit n = 2 Streifen an. Gib S an.

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 2
S =
2.Numerische VerfahrenSchwer
00,20,40,60,8510ty(0, 3)

Verwende das Euler-Verfahren mit h = 0,2 für y′ = 1,5y, y(0) = 3, um y4 ≈ y(0,8) zu schätzen.

y′ = 1,5yy(0) = 3h = 0,2
y4 =
3.Folgen & ReihenMittel
AΣ (4k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞BΣ 2ᵏ/k²k = 1 … ∞CΣ 3/kk = 1 … ∞DΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞

Genau eine der vier Reihen konvergiert. Klicke sie an.

A: Σ (4k + 1)/(k + 2)B: Σ 2ᵏ/k²C: Σ 3/kD: Σ (−1)ᵏ/√k
  1. 1A: Σ (4k + 1)/(k + 2)
  2. 2B: Σ 2ᵏ/k²
  3. 3C: Σ 3/k
  4. 4D: Σ (−1)ᵏ/√k
4.Folgen & ReihenSchwer

f(x) = sin x wird durch ihr Maclaurin-Polynom vom Grad 3 bei x = 1,5 angenähert. Verwende die Lagrangesche Fehlerschranke M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! mit M = 1, um den größtmöglichen Fehler |R₃| zu bestimmen.

f(x) = sin xn = 3x = 1,5M = 1
|R₃| =
5.Matrizen & DeterminantenMittel
A =5416B =−33−12

Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c21 (Zeile 2, Spalte 1).

A = [5 4; 1 6]B = [−3 3; −1 2]
c21 =
6.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =3−1−43

Bestimme den größeren Eigenwert λ der gezeigten Matrix A.

A = [3 −1; −4 3]
λ =
7.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 4y(2) = ?

Löse y″ + 6y′ + 8y = 0 mit y(0) = 4 und y′(0) = 4. Bestimme y(2).

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 4y′(0) = 4
y(2) =
8.DifferentialgleichungenSchwer
tyK = 10ymax​ = ?

Ein System gehorcht y″ + 4y′ + 8y = 80 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme den Spitzenwert ymax seiner Sprungantwort.

y″ + 4y′ + 8y = 80y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Lösungen

1.Numerische Verfahren

Antwort: S = 1,109

Numerische Integration: Teile [a, b] in n Streifen der Breite h = (b − a)/n mit den Knoten x₀ … xₙ. Trapezregel: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Simpson-Regel (n gerade): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Der Fehler der Trapezregel schrumpft wie h² (Schranke (b − a)h²·M/12 mit M = max|f″|), der der Simpson-Regel wie h⁴, daher ist Simpson bei denselben Knoten meist weit genauer.

ixᵢf(xᵢ)Gewicht001110,51,060664211,4142141

Knoten und Werte

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·1,06066 + 1,414214 = 6,656854

Simpson-Regel

S = (0,5/3)·6,656854 = 1,109

Antwort

S = 1,109

Dieses Integral hat keine elementare Stammfunktion, und genau dann braucht man eine numerische Regel.

2.Numerische Verfahren

Antwort: y4 = 8,568

Numerische Lösung von y′ = f(t, y): Das Euler-Verfahren geht entlang der Steigung am Anfang jedes Schritts: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Das Heun-Verfahren (verbessertes Euler-Verfahren) mittelt die Steigung am Anfang und an einer Euler-Vorhersage: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Das klassische Runge-Kutta-Verfahren (RK4) kombiniert vier Steigungen: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Der globale Fehler ist beim Euler-Verfahren proportional zu h, beim Heun-Verfahren zu h², beim RK4 zu h⁴.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁0034,53,910,23,95,855,0720,45,077,6056,59130,66,5919,88658,5683

Euler-Schritte

y₁ = 3 + 0,2·(4,5) = 3,9
y₂ = 3,9 + 0,2·(5,85) = 5,07
y₃ = 5,07 + 0,2·(7,605) = 6,591
y₄ = 6,591 + 0,2·(9,8865) = 8,5683
00,20,40,60,8510ty

Diagramm

y4 = 8,568

Antwort

y4 = 8,568

Der exakte Wert ist y(0,8) = 9,960351.

3.Folgen & Reihen

Antwort: D: Σ (−1)ᵏ/√k

Konvergenz: Streben die Glieder nicht gegen 0, divergiert die Reihe (Trivialkriterium). Σ1/kᵖ konvergiert nur für p > 1 und Σrᵏ nur für |r| < 1. Vergleiche eine Reihe mit einer dieser Reihen, wenn sich ihre Glieder für große k wie diese verhalten. Quotientenkriterium: L = lim |ak+1/ak|; Wurzelkriterium: L = lim |ak|1/k. L < 1 konvergiert, L > 1 divergiert, L = 1 entscheidet nichts. Eine Potenzreihe Σck(x − x₀)ᵏ konvergiert für |x − x₀| < R mit R = lim |ck/ck+1|; eine alternierende Reihe mit gegen 0 fallenden Gliedern konvergiert.

Jede Reihe testen

A: Σ (4k + 1)/(k + 2) → Die Glieder streben gegen 4, nicht gegen 0: divergiert nach dem Trivialkriterium.
B: Σ 2ᵏ/k² → Quotientenkriterium: L = 2 > 1, divergiert.
C: Σ 3/k → Ein Vielfaches der harmonischen Reihe (p = 1): divergiert.
D: Σ (−1)ᵏ/√k → Alternierend, mit gegen 0 fallendem 1/√k: konvergiert (bedingt).

Die Antwort

D: Σ (−1)ᵏ/√k

Antwort

D: Σ (−1)ᵏ/√k
4.Folgen & Reihen

Antwort: |R₃| = 0,2109

Taylor-Polynome: Nahe x = a wird eine glatte Funktion durch Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n! angenähert; für a = 0 ist das das Maclaurin-Polynom. Standardreihen: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Lagrangesche Fehlerschranke: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, wobei M der größte Wert von |f⁽ⁿ⁺¹⁾| zwischen a und x ist.

Schranke für die Ableitung

M = 1

Lagrangesche Schranke

|R₃| ≤ 1·1,5⁴/4! = 0,2109

Antwort

|R₃| = 0,2109

Der wahre Fehler ist kleiner: |f(1,5) − P₃(1,5)| = 0,05999.

5.Matrizen & Determinanten

Antwort: c21 = −9

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 = 1·(−3) + 6·(−1) = −9

Antwort

c21 = −9
6.Matrizen & Determinanten

Antwort: λ = 5

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 − (6)λ + (5) = 0

Lösen

λ = (6 ± √(16))/2 → λ = 1, 5
λ = 5

Antwort

λ = 5
7.Differentialgleichungen

Antwort: y(2) = 0,1811

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.

Charakteristische Wurzeln

(r + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4

Konstanten aus den Anfangswerten

A + B = 4, −2A − 4B = 4
A = 10, B = −6

Auswerten

y(2) = 10·e−4 + (−6)·e−8 = 0,1811

Antwort

y(2) = 0,1811
8.Differentialgleichungen

Antwort: ymax = 10,43

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 = 10, r = −2 ± 2j

Konstanten aus den Anfangswerten

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −2A + 2B = 0 → B = −10

Spitzenwert

t = π/2 = 1,571
ymax = 10·(1 + e−2·π/2) = 10,43

Antwort

ymax = 10,43

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods