Numerische Verfahren: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 8 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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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
xy00,751,5

Nähere ∫01,5 1/(1 + x³) dx mit der Simpson-Regel mit n = 2 Streifen an. Gib S an.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 2
S =
2.Numerische VerfahrenSchwer
00,20,4−1−0,8−0,6−0,4ty(0, −1)

Verwende das Heun-Verfahren (verbessertes Euler-Verfahren) mit h = 0,25 für y′ = t − y, y(0) = −1, um y2 ≈ y(0,5) zu schätzen.

y′ = t − yy(0) = −1h = 0,25
y2 =
3.Folgen & ReihenMittel
AΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞BΣ (2/3)ᵏk = 1 … ∞CΣ k/3ᵏk = 1 … ∞DΣ 3ᵏ/k³k = 1 … ∞

Genau eine der vier Reihen divergiert. Klicke sie an.

A: Σ (−1)ᵏ/kB: Σ (2/3)ᵏC: Σ k/3ᵏD: Σ 3ᵏ/k³
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/k
  2. 2B: Σ (2/3)ᵏ
  3. 3C: Σ k/3ᵏ
  4. 4D: Σ 3ᵏ/k³
4.Folgen & ReihenSchwer

Bestimme den Koeffizienten c₃ von (x − 1)³ in der Taylor-Reihe von f(x) = ∛x um a = 1.

f(x) = ∛xa = 1k = 3
c₃ =
5.Matrizen & DeterminantenMittel
A =5−522−20021

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

A = [5 −5 2; 2 −2 0; 0 2 1]
det A =
6.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =3−1−4−4b =−3−8

Löse das Gleichungssystem 3x − y = −3 und −4x − 4y = −8. Bestimme x.

3x − y = −3−4x − 4y = −8
x =
7.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 3y(2) = ?

Löse y″ + 4y′ + 3y = 0 mit y(0) = 3 und y′(0) = 6. Bestimme y(2).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 3y′(0) = 6
y(2) =
8.DifferentialgleichungenSchwer
t (min)m (kg)105 minm = ?

Ein Behälter enthält 500 L reines Wasser. Salzlösung mit 0,05 kg Salz pro Liter fließt mit 2 L/min zu, und die gut durchmischte Lösung fließt mit derselben Rate ab. Wie viel Salz m ist nach 105 min im Behälter?

V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0,05 kg/Lr = 2 L/min
m = kg

3Lösungen

1.Numerische Verfahren

Antwort: S = 1,01

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)Gewicht001110,750,703297421,50,2285711

Knoten und Werte

h = 0,75
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,703297 + 0,228571 = 4,041758

Simpson-Regel

S = (0,75/3)·4,041758 = 1,01

Antwort

S = 1,01

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

2.Numerische Verfahren

Antwort: y2 = −0,5

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00−111−0,7510,25−0,7511−0,5

Heun-Schritte

y₁ = −1 + (0,25/2)(1 + 1) = −0,75
y₂ = −0,75 + (0,25/2)(1 + 1) = −0,5
00,20,4−1−0,8−0,6−0,4ty

Diagramm

y2 = −0,5

Antwort

y2 = −0,5

Der exakte Wert ist y(0,5) = −0,5.

3.Folgen & Reihen

Antwort: D: Σ 3ᵏ/k³

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 (−1)ᵏ/k → Alternierend, mit gegen 0 fallendem 1/k: konvergiert (bedingt).
B: Σ (2/3)ᵏ → Geometrisch mit r = 2/3, |r| < 1: konvergiert.
C: Σ k/3ᵏ → Quotientenkriterium: L = 1/3 < 1, konvergiert.
D: Σ 3ᵏ/k³ → Quotientenkriterium: L = 3 > 1, divergiert.

Die Antwort

D: Σ 3ᵏ/k³

Antwort

D: Σ 3ᵏ/k³
4.Folgen & Reihen

Antwort: c₃ = 0,06173

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.

Ableitung f⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = 0,3704·x1/3 − 3

Koeffizient

c₃ = 0,3704·11/3 − 3/3! = 0,06173
c₃ = 0,06173

Antwort

c₃ = 0,06173
5.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = 8

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 = 2, M₁₃ = 4

Laplace-Entwicklung

det A = 5·(−2) − (−5)·2 + 2·4 = 8

Antwort

det A = 8
6.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = −0,25

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 = 3·(−4) − (−1)·(−4) = −16

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = (−3)·(−4) − (−1)·(−8) = 4
x = 4/(−16) = −0,25

Antwort

x = −0,25
y = 2,25
7.Differentialgleichungen

Antwort: y(2) = 1,004

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 + 1)(r + 3) = 0 → r = −1, −3

Konstanten aus den Anfangswerten

A + B = 3, −1A − 3B = 6
A = 7,5, B = −4,5

Auswerten

y(2) = 7,5·e−2 + (−4,5)·e−6 = 1,004

Antwort

y(2) = 1,004
8.Differentialgleichungen

Antwort: m = 8,574 kg

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.

Die Gleichung aufstellen

dm/dt = 2·0,05 − (2/500)·m = 0,1 − 0,004·m

Lösen

Der integrierende Faktor ist ert/V; die Lösung nähert sich dem Gleichgewicht c·V.

m(t) = 25 + (−25)·e−t/250

t einsetzen

m(105) = 25 + (−25)·0,657 = 8,574 kg

Antwort

m = 8,574 kg

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