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

Die Trapezregel wird für ∫02 sin x dx verwendet. Der Fehler beträgt höchstens (b − a)³·M/(12n²) mit M = max|f″| auf [0, 2]. Bestimme die kleinste Anzahl n von Streifen, die einen Fehler unter 0,001 garantiert.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]ε = 0,001
n =
2.Numerische VerfahrenSchwer
00,510,50,60,70,8ty(0, 0,5)

Verwende das Euler-Verfahren mit h = 0,25 für y′ = cos t − y, y(0) = 0,5, um y5 ≈ y(1,25) zu schätzen.

y′ = cos t − yy(0) = 0,5h = 0,25
y5 =
3.Folgen & ReihenMittel
AΣ 2ᵏ/k³k = 1 … ∞BΣ 5ᵏ/k!k = 1 … ∞CΣ 2/kk = 1 … ∞DΣ (k + 5)/k²k = 1 … ∞

Genau eine der vier Reihen konvergiert. Klicke sie an.

A: Σ 2ᵏ/k³B: Σ 5ᵏ/k!C: Σ 2/kD: Σ (k + 5)/k²
  1. 1A: Σ 2ᵏ/k³
  2. 2B: Σ 5ᵏ/k!
  3. 3C: Σ 2/k
  4. 4D: Σ (k + 5)/k²
4.Folgen & ReihenSchwer

Bestimme den Koeffizienten c₂ von (x − 2)² in der Taylor-Reihe von f(x) = 1/x um a = 2.

f(x) = 1/xa = 2k = 2
c₂ =
5.Matrizen & DeterminantenMittel
A =−40−5−1−1−535−2

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

A = [−4 0 −5; −1 −1 −5; 3 5 −2]
det A =
6.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =3−22−2b =−5−1

Löse das Gleichungssystem 3x − 2y = −5 und 2x − 2y = −1. Bestimme x.

3x − 2y = −52x − 2y = −1
x =
7.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 4y(0,5) = ?

Löse y″ + 5y′ + 6y = 0 mit y(0) = 4 und y′(0) = 1. Bestimme y(0,5).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 4y′(0) = 1
y(0.5) =
8.DifferentialgleichungenSchwer
ty1,5y(1,5) = ?

Löse y′ + 3y = 3e−0,5t mit y(0) = 3. Bestimme y(1,5).

y′ + 3y = 3e−0,5ty(0) = 3
y(1.5) =

3Lösungen

1.Numerische Verfahren

Antwort: n = 26

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.

Schranke für die zweite Ableitung

M = |sin(π/2)| = 1

Nach n auflösen

n² > 8·1/(12·0,001) = 666,7
n > 25,82 → n = 26

Antwort

n = 26
2.Numerische Verfahren

Antwort: y5 = 0,6956

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₊₁000,50,50,62510,250,6250,3439120,71097820,50,7109780,1666040,75262930,750,752629−0,02094040,747394410,747394−0,2070920,695621

Euler-Schritte

y₁ = 0,5 + 0,25·(0,5) = 0,625
y₂ = 0,625 + 0,25·(0,343912) = 0,710978
y₃ = 0,710978 + 0,25·(0,166604) = 0,752629
y₄ = 0,752629 + 0,25·(−0,0209404) = 0,747394
y₅ = 0,747394 + 0,25·(−0,207092) = 0,695621
00,510,50,60,70,8ty

Diagramm

y5 = 0,6956

Antwort

y5 = 0,6956
3.Folgen & Reihen

Antwort: B: Σ 5ᵏ/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 2ᵏ/k³ → Quotientenkriterium: L = 2 > 1, divergiert.
B: Σ 5ᵏ/k! → Quotientenkriterium: L = lim 5/(k + 1) = 0 < 1, konvergiert.
C: Σ 2/k → Ein Vielfaches der harmonischen Reihe (p = 1): divergiert.
D: Σ (k + 5)/k² → Verhält sich für große k wie 1/k: divergiert nach dem Vergleich mit der harmonischen Reihe.

Die Antwort

B: Σ 5ᵏ/k!

Antwort

B: Σ 5ᵏ/k!
4.Folgen & Reihen

Antwort: c₂ = 0,125

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⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = 2/x³

Koeffizient

c₂ = 2/(2³·2) = 0,125
c₂ = 0,125

Antwort

c₂ = 0,125
5.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = −98

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 = 27, M₁₂ = 17, M₁₃ = −2

Laplace-Entwicklung

det A = (−4)·27 − 0·17 + (−5)·(−2) = −98

Antwort

det A = −98
6.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = −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.

Determinante der Koeffizientenmatrix

det A = 3·(−2) − (−2)·2 = −2

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = (−5)·(−2) − (−2)·(−1) = 8
x = 8/(−2) = −4

Antwort

x = −4
y = −3,5
7.Differentialgleichungen

Antwort: y(0.5) = 2,774

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 + 3) = 0 → r = −2, −3

Konstanten aus den Anfangswerten

A + B = 4, −2A − 3B = 1
A = 13, B = −9

Auswerten

y(0,5) = 13·e−1 + (−9)·e−1,5 = 2,774

Antwort

y(0,5) = 2,774
8.Differentialgleichungen

Antwort: y(1.5) = 0,5868

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 = e3t
(e3ty)′ = 3e2,5t

Allgemeine Lösung

y = 3/2,5·e−0,5t + C·e−3t = 1,2·e−0,5t + C·e−3t

Anfangsbedingung

3 = 1,2 + C → C = 1,8

Auswerten

y(1,5) = 1,2·0,4724 + 1,8·0,01111 = 0,5868

Antwort

y(1,5) = 0,5868

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods