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
xy012

Nähere ∫02 sin x dx mit der Simpson-Regel, n = 2, an und vergleiche mit dem exakten Wert. Bestimme den absoluten Fehler |E| = |S − I|.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
2.Numerische VerfahrenSchwer
012−50ty(0, 0,5)

Verwende das Euler-Verfahren mit h = 0,5 für y′ = y − t², y(0) = 0,5, um y5 ≈ y(2,5) zu schätzen.

y′ = y − t²y(0) = 0,5h = 0,5
y5 =
3.Folgen & ReihenMittel
AΣ 1/(k² + 9)k = 1 … ∞BΣ (5/3)ᵏk = 1 … ∞CΣ (2/3)ᵏk = 1 … ∞DΣ k³/2ᵏk = 1 … ∞

Genau eine der vier Reihen divergiert. Klicke sie an.

A: Σ 1/(k² + 9)B: Σ (5/3)ᵏC: Σ (2/3)ᵏD: Σ k³/2ᵏ
  1. 1A: Σ 1/(k² + 9)
  2. 2B: Σ (5/3)ᵏ
  3. 3C: Σ (2/3)ᵏ
  4. 4D: Σ k³/2ᵏ
4.Folgen & ReihenSchwer

f(x) = ln(1 + x) wird durch ihr Maclaurin-Polynom vom Grad 5 bei x = 0,5 angenähert. Verwende die Lagrangesche Fehlerschranke M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! mit M = 5! = 120, um den größtmöglichen Fehler |R₅| zu bestimmen.

f(x) = ln(1 + x)n = 5x = 0,5M = 120
|R₅| =
5.Matrizen & DeterminantenMittel
A =13−4−4−1−1−104

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

A = [1 3 −4; −4 −1 −1; −1 0 4]
det A =
6.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =4−5−46b =711

Löse das Gleichungssystem 4x − 5y = 7 und −4x + 6y = 11. Bestimme x.

4x − 5y = 7−4x + 6y = 11
x =
7.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 3y(2) = ?

Löse y″ + 4y′ + 4y = 0 mit y(0) = 3 und y′(0) = -1. Bestimme y(2).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = -1
y(2) =
8.DifferentialgleichungenSchwer
ty2y(2) = ?

Löse y′ + 0,5y = 5e−2t mit y(0) = 3. Bestimme y(2).

y′ + 0,5y = 5e−2ty(0) = 3
y(2) =

3Lösungen

1.Numerische Verfahren

Antwort: |E| = 0,008914

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.

Exakter Wert

I = 1,416147

Simpson-Regel

S = (1/3)·(0 + 4·0,841471 + 0,909297) = 1,42506

Fehler

|E| = |1,42506 − 1,416147| = 0,008914

Antwort

|E| = 0,008914

Relativer Fehler: 0,6294 %.

2.Numerische Verfahren

Antwort: y5 = −1,438

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₊₁000,50,50,7510,50,750,512110131,51−1,250,375420,375−3,625−1,4375

Euler-Schritte

y₁ = 0,5 + 0,5·(0,5) = 0,75
y₂ = 0,75 + 0,5·(0,5) = 1
y₃ = 1 + 0,5·(0) = 1
y₄ = 1 + 0,5·(−1,25) = 0,375
y₅ = 0,375 + 0,5·(−3,625) = −1,4375
012−50ty

Diagramm

y5 = −1,438

Antwort

y5 = −1,438

Der exakte Wert ist y(2,5) = −5,023741.

3.Folgen & Reihen

Antwort: B: Σ (5/3)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 1/(k² + 9) → Kleiner als 1/k², eine konvergente p-Reihe: konvergiert nach dem Vergleichskriterium.
B: Σ (5/3)ᵏ → Geometrisch mit r = 5/3 > 1: Die Glieder wachsen, sie divergiert also.
C: Σ (2/3)ᵏ → Geometrisch mit r = 2/3, |r| < 1: konvergiert.
D: Σ k³/2ᵏ → Quotientenkriterium: L = 1/2 < 1, konvergiert.

Die Antwort

B: Σ (5/3)ᵏ

Antwort

B: Σ (5/3)ᵏ
4.Folgen & Reihen

Antwort: |R₅| = 0,002604

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 = 5! = 120

Lagrangesche Schranke

|R₅| ≤ 120·0,5⁶/6! = 0,002604

Antwort

|R₅| = 0,002604

Der wahre Fehler ist kleiner: |f(0,5) − P₅(0,5)| = 0,001827.

5.Matrizen & Determinanten

Antwort: det A = 51

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 = −4, M₁₂ = −17, M₁₃ = −1

Laplace-Entwicklung

det A = 1·(−4) − 3·(−17) + (−4)·(−1) = 51

Antwort

det A = 51
6.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = 24,25

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 = 4·6 − (−5)·(−4) = 4

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = 7·6 − (−5)·11 = 97
x = 97/4 = 24,25

Antwort

x = 24,25
y = 18
7.Differentialgleichungen

Antwort: y(2) = 0,2381

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.

Doppelte Wurzel

(r + 2)² = 0 → r = −2

Konstanten

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 2A → B = -1 + 6 = 5

Auswerten

y(2) = (3 + 5·2)·e−4 = 0,2381

Antwort

y(2) = 0,2381
8.Differentialgleichungen

Antwort: y(2) = 2,269

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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 5e−1,5t

Allgemeine Lösung

y = 5/(−1,5)·e−2t + C·e−0,5t = −3,333·e−2t + C·e−0,5t

Anfangsbedingung

3 = −3,333 + C → C = 6,333

Auswerten

y(2) = −3,333·0,01832 + 6,333·0,3679 = 2,269

Antwort

y(2) = 2,269

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