Inhaltsverzeichnis - Ingenieur-Buch

IX
Inhaltsverzeichnis
I Allgemeine Grundlagen aus Algebra, Arithmetik und Geometrie . . . . . .
1
1 Grundlegende Begriffe über Mengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.1
1.2
Definition und Darstellung einer Menge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mengenoperationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
2
2 Rechnen mit reellen Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
Reelle Zahlen und ihre Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1.1
Natürliche und ganze Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1.2
Rationale, irrationale und reelle Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.3
Rundungsregeln für reelle Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.4
Darstellung der reellen Zahlen auf der Zahlengerade . . . . . . . . . . . 5
2.1.5
Grundrechenarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Zahlensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Intervalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Bruchrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Potenzen und Wurzeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Logarithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Binomischer Lehrsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 Elementare (endliche) Reihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1
3.2
3.3
3.4
Definition einer (endlichen) Reihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arithmetische Reihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geometrische Reihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spezielle Zahlenreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
16
16
16
4 Gleichungen mit einer Unbekannten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
Algebraische Gleichungen n-ten Grades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1
Allgemeine Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2
Lineare Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3
Quadratische Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.4
Kubische Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.5
Biquadratische Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Allgemeine Lösungshinweise für Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Graphisches Lösungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Regula falsi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tangentenverfahren von Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
17
18
18
18
20
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22
23
24
5 Ungleichungen mit einer Unbekannten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
X
Inhaltsverzeichnis
6 Lehrsätze aus der elementaren Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
Satz des Pythagoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Höhensatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kathetensatz (Euklid) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Satz des Thales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Strahlensätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sinussatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kosinussatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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26
27
27
27
28
28
7 Ebene geometrische Körper (Planimetrie) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
7.10
7.11
7.12
Dreiecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.1
Allgemeine Beziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.2
Spezielle Dreiecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.2.1 Rechtwinkliges Dreieck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.2.2 Gleichschenkliges Dreieck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.2.3 Gleichseitiges Dreieck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Quadrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rechteck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parallelogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rhombus oder Raute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Trapez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reguläres n-Eck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kreissektor oder Kreisausschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kreissegment oder Kreisabschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kreisring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ellipse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
28
29
29
29
30
30
30
31
31
31
32
32
32
32
33
33
8 Räumliche geometrische Körper (Stereometrie) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
8.10
8.11
8.12
8.13
8.14
8.15
8.16
8.17
8.18
8.19
Prisma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Würfel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Quader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pyramide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pyramidenstumpf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tetraeder oder dreiseitige Pyramide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Keil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gerader Kreiszylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gerader Kreiskegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gerader Kreiskegelstumpf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kugel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kugelausschnitt oder Kugelsektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kugelschicht oder Kugelzone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kugelabschnitt, Kugelsegment, Kugelkappe oder Kalotte . . . . . . . . . . . . . . .
Ellipsoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rotationsparaboloid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tonne oder Fass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Torus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Guldinsche Regeln für Rotationskörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
34
34
34
35
35
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36
36
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37
37
38
38
38
39
39
40
40
Inhaltsverzeichnis
XI
9 Koordinatensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
9.1
9.2
Ebene Koordinatensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.1
Rechtwinklige oder kartesische Koordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.2
Polarkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.3
Koordinatentransformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.3.1 Parallelverschiebung eines kartesischen
Koordinatensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.3.2 Zusammenhang zwischen den kartesischen und
den Polarkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.3.3 Drehung eines kartesischen Koordinatensystems . . . . . . .
Räumliche Koordinatensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.1
Rechtwinklige oder kartesische Koordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.2
Zylinderkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.3
Zusammenhang zwischen den kartesischen und
den Zylinderkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.4
Kugelkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.5
Zusammenhang zwischen den kartesischen und
den Kugelkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
41
42
42
42
42
43
44
44
44
44
45
45
II Vektorrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.1
1.2
1.3
1.4
Vektoren und Skalare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spezielle Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gleichheit von Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kollineare, parallele und antiparallele Vektoren, inverser Vektor . . . . . . . . . .
46
46
47
47
2 Komponentendarstellung eines Vektors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.1
2.2
2.3
Komponentendarstellung in einem kartesischen Koordinatensystem . . . . . . . 48
Komponentendarstellung spezieller Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Betrag und Richtungswinkel eines Vektors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3 Vektoroperationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Addition und Subtraktion von Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Multiplikation eines Vektors mit einem Skalar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Skalarprodukt (inneres Produkt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vektorprodukt (äußeres Produkt, Kreuzprodukt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spatprodukt (gemischtes Produkt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Formeln für Mehrfachprodukte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
51
51
53
55
56
4 Anwendungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1
4.2
Arbeit einer konstanten Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vektorielle Darstellung einer Geraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1
Punkt-Richtungs-Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2
Zwei-Punkte-Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3
Abstand eines Punktes von einer Geraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
57
57
57
58
XII
4.3
Inhaltsverzeichnis
4.2.4
Abstand zweier paralleler Geraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.5
Abstand zweier windschiefer Geraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.6
Schnittpunkt und Schnittwinkel zweier Geraden . . . . . . . . . . . . . .
Vektorielle Darstellung einer Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1
Punkt-Richtungs-Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2
Drei-Punkte-Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3
Ebene senkrecht zu einem Vektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.4
Abstand eines Punktes von einer Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.5
Abstand einer Geraden von einer Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.6
Abstand zweier paralleler Ebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.7
Schnittpunkt und Schnittwinkel einer Geraden mit einer Ebene . .
4.3.8
Schnittwinkel zweier Ebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.9
Schnittgerade zweier Ebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
59
60
60
60
61
62
62
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64
65
66
66
III Funktionen und Kurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
1.1
1.2
Definition einer Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Darstellungsformen einer Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1
Analytische Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2
Parameterdarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3
Kurvengleichung in Polarkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.4
Graphische Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
67
67
67
68
68
2 Allgemeine Funktionseigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Nullstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Symmetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Monotonie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Periodizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Umkehrfunktion (inverse Funktion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
69
69
70
70
3 Grenzwert und Stetigkeit einer Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Grenzwert einer Folge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Grenzwert einer Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1
Grenzwert für x ! x0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2
Grenzwert für x ! + 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rechenregeln für Grenzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Grenzwertregel von Bernoulli und de l’Hospital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Stetigkeit einer Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
72
72
72
72
73
74
4 Ganzrationale Funktionen (Polynomfunktionen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1
4.2
Definition der ganzrationalen Funktionen (Polynomfunktionen) . . . . . . . . . .
Lineare Funktionen (Geraden) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1
Allgemeine Geradengleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2
Hauptform einer Geraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3
Punkt-Steigungs-Form einer Geraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4
Zwei-Punkte-Form einer Geraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
76
76
76
76
77
Inhaltsverzeichnis
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.2.5
Achsenabschnittsform einer Geraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.6
Hessesche Normalform einer Geraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.7
Abstand eine Punktes von einer Geraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.8
Schnittwinkel zweier Geraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Quadratische Funktionen (Parabeln) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1
Hauptform einer Parabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2
Produktform einer Parabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3
Scheitelpunktsform einer Parabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polynomfunktionen höheren Grades (n-ten Grades) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1
Abspaltung eines Linearfaktors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2
Nullstellen einer Polynomfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.3
Produktdarstellung einer Polynomfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Horner-Schema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reduzierung einer Polynomfunktion (Nullstellenberechnung) . . . . . . . . . . . .
Interpolationspolynome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7.1
Allgemeine Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7.2
Interpolationsformel von Lagrange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7.3
Interpolationsformel von Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XIII
77
77
77
78
78
78
79
79
79
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80
81
82
82
82
84
5 Gebrochenrationale Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.1
5.2
5.3
Definition der gebrochenrationalen Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Nullstellen, Definitionslücken, Pole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Asymptotisches Verhalten im Unendlichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6 Potenz- und Wurzelfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.1
6.2
6.3
Potenzfunktionen mit ganzzahligen Exponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Wurzelfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Potenzfunktionen mit rationalen Exponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7 Trigonometrische Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
Winkelmaße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Definition der trigonometrischen Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sinus- und Kosinusfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tangens- und Kotangensfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wichtige Beziehungen zwischen den trigonometrischen Funktionen . . . . . .
Trigonometrische Formeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.1
Additionstheoreme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.2
Formeln für halbe Winkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.3
Formeln für Winkelvielfache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.4
Formeln für Potenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.5
Formeln für Summen und Differenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.6
Formeln für Produkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anwendungen in der Schwingungslehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.7.1
Allgemeine Sinus- und Kosinusfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.7.2
Harmonische Schwingungen (Sinusschwingungen) . . . . . . . . . . . .
7.7.2.1 Gleichung einer harmonischen Schwingung . . . . . . . . . .
7.7.2.2 Darstellung einer harmonischen Schwingung
im Zeigerdiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
92
93
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95
96
96
97
97
98
98
98
99
99
99
XIV
Inhaltsverzeichnis
7.7.3
Superposition (!berlagerung) gleichfrequenter
harmonischer Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8 Arkusfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.1
8.2
8.3
Arkussinus- und Arkuskosinusfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Arkusstangens- und Arkuskotangensfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Wichtige Beziehungen zwischen den Arkusfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9 Exponentialfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.1
9.2
Definition der Exponentialfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spezielle Exponentialfunktionen aus den Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.1
Abklingfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.2
Sättigungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.3
Wachstumsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.4
Gauß-Funktion (Gaußsche Glockenkurve) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.5
Kettenlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
105
105
105
106
106
106
10 Logarithmusfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
10.1
10.2
Definition der Logarithmusfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Spezielle Logarithmusfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
11 Hyperbelfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
11.1
11.2
11.3
Definition der Hyperbelfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wichtige Beziehungen zwischen den Hyperbelfunktionen . . . . . . . . . . . . . . .
Formeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.1 Additionstheoreme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.2 Formeln für halbe Argumente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.3 Formeln für Vielfache des Arguments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.4 Formeln für Potenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.5 Formeln für Summen und Differenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.6 Formeln für Produkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.7 Formel von Moivre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
108
109
110
110
110
111
111
112
112
112
12 Areafunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
12.1
12.2
Definition der Areafunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Wichtige Beziehungen zwischen den Areafunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
13 Kegelschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
13.1
13.2
Allgemeine Gleichung eines Kegelschnittes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.1 Geometrische Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.2 Mittelpunktsgleichung eines Kreises (Ursprungsgleichung) . . . . . .
13.2.3 Kreis in allgemeiner Lage (Hauptform, verschobener Kreis) . . . . .
13.2.4 Gleichung eines Kreises in Polarkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.5 Parameterdarstellung eines Kreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
115
115
115
116
116
116
116
Inhaltsverzeichnis
13.3
13.4
13.5
Ellipse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.1 Geometrische Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.2 Mittelpunktsgleichung einer Ellipse (Ursprungsgleichung) . . . . . .
13.3.3 Ellipse in allgemeiner Lage (Hauptform, verschobene Ellipse) . . .
13.3.4 Gleichung einer Ellipse in Polarkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.5 Parameterdarstellung einer Ellipse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hyperbel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4.1 Geometrische Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4.2 Mittelpunktsgleichung einer Hyperbel (Ursprungsgleichung) . . . . .
13.4.3 Hyperbel in allgemeiner Lage (Hauptform, verschobene Hyperbel)
13.4.4 Gleichung einer Hyperbel in Polarkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4.5 Parameterdarstellung einer Hyperbel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4.6 Gleichung einer um 90" gedrehten Hyperbel . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4.7 Gleichung einer gleichseitigen oder rechtwinkligen Hyperbel
ða ¼ bÞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5.1 Geometrische Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5.2 Scheitelgleichung einer Parabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5.3 Parabel in allgemeiner Lage (Hauptform, verschobene Parabel) . . .
13.5.4 Gleichung einer Parabel in Polarkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5.5 Parameterdarstellung einer Parabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XV
117
117
117
117
118
118
119
119
119
119
120
121
121
121
122
122
122
122
123
123
14 Spezielle Kurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
14.1
14.2
14.3
14.4
14.5
14.6
14.7
14.8
14.9
14.10
Gewöhnliche Zykloide (Rollkurve) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Epizykloide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hypozykloide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Astroide (Sternkurve) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kardioide (Herzkurve) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lemniskate (Schleifenkurve) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Strophoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cartesisches Blatt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
„Kleeblatt‘‘ mit n bzw. 2n Blättern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spiralen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.10.1 Archimedische Spirale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.10.2 Logarithmische Spirale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
124
124
125
126
126
127
127
128
128
129
129
129
IV Differentialrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
1 Differenzierbarkeit einer Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Differenzenquotient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Differentialquotient oder 1. Ableitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ableitungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Höhere Ableitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Differential einer Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
130
130
130
131
131
2 Erste Ableitung der elementaren Funktionen (Tabelle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
XVI
Inhaltsverzeichnis
3 Ableitungsregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
Faktorregel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Summenregel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Produktregel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Quotientenregel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kettenregel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Logarithmische Differentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ableitung der Umkehrfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Implizite Differentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ableitungen einer in der Parameterform dargestellten Funktion (Kurve) . . .
Ableitungen einer in Polarkoordination dargestellten Kurve . . . . . . . . . . . . .
133
133
133
134
134
136
136
137
137
138
4 Anwendungen der Differentialrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
Geschwindigkeit und Beschleunigung einer geradlinigen Bewegung . . . . . .
Tangente und Normale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Linearisierung einer Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Monotonie und Krümmung einer Kurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1
Geometrische Deutung der 1. und 2. Ableitung . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2
Krümmung einer ebenen Kurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Relative Extremwerte (relative Maxima, relative Minima) . . . . . . . . . . . . . . .
Wendepunkte, Sattelpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kurvendiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
138
139
139
140
140
141
142
144
145
V Integralrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
1 Bestimmtes Integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
1.1
1.2
1.3
Definition eines bestimmten Integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Berechnung eines bestimmten Integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Elementare Integrationsregeln für bestimmte Integrale . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
2 Unbestimmtes Integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
2.1
2.2
2.3
Definition eines unbestimmten Integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Allgemeine Eigenschaften der unbestimmten Integrale . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Tabelle der Grund- oder Stammintegrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3 Integrationsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Integration durch Substitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1.
Allgemeines Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2
Spezielle Integralsubstitutionen (Tabelle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Partielle Integration (Produktintegration) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Integration einer gebrochenrationalen Funktion durch Partialbruchzerlegung
des Integranden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1
Partialbruchzerlegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2
Integration der Partialbrüche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Integration durch Potenzreihenentwicklung des Integranden . . . . . . . . . . . . .
Numerische Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.1
Trapezformel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2
Simpsonsche Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.3
Romberg-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
153
153
154
156
157
157
160
161
161
161
162
164
Inhaltsverzeichnis
XVII
4 Uneigentliche Integrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.1
4.2
Unendliches Integrationsintervall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Integrand mit einer Unendlichkeitsstelle (Pol). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5 Anwendungen der Integralrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
5.11
Integration der Bewegungsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arbeit einer ortsabhängigen Kraft (Arbeitsintegral) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lineare und quadratische Mittelwerte einer Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1
Linearer Mittelwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2
Quadratischer Mittelwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.3
Zeitliche Mittelwerte einer periodischen Funktion . . . . . . . . . . . . .
Flächeninhalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schwerpunkt einer homogenen ebenen Fläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Flächenträgheitsmomente (Flächenmomente 2. Grades) . . . . . . . . . . . . . . . .
Bogenlänge einer ebenen Kurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Volumen eines Rotationskörpers (Rotationsvolumen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mantelfläche eines Rotationskörpers (Rotationsfläche) . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schwerpunkt eines homogenen Rotationskörpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Massenträgheitsmoment eines homogenen Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
168
169
169
169
169
169
170
171
172
173
173
175
175
176
VI Unendliche Reihen, Taylor- und Fourier-Reihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
1 Unendliche Reihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
1.1
1.2
1.3
Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1
Definition einer unendlichen Reihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.2
Konvergenz und Divergenz einer unendlichen Reihe . . . . . . . . . . .
Konvergenzkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1
Quotientenkriterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2
Wurzelkriterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3
Vergleichskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.4
Leibnizsches Konvergenzkriterium für alternierende Reihen . . . . .
1.2.5
Eigenschaften konvergenter bzw. absolut konvergenter Reihen . . .
Spezielle konvergente Reihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
178
178
178
179
179
180
180
181
181
181
2 Potenzreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
2.1
2.2
2.3
Definition einer Potenzreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Konvergenzradius und Konvergenzbereich einer Potenzreihe . . . . . . . . . . . . 183
Wichtige Eigenschaften der Potenzreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
3 Taylor-Reihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Taylorsche und Mac Laurinsche Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1
Taylorsche Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2
Mac Laurinsche Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Taylorsche Reihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mac Laurinsche Reihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spezielle Potenzreihenentwicklungen (Tabelle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Näherungspolynome einer Funktion (mit Tabelle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
184
184
184
185
185
186
188
XVIII
Inhaltsverzeichnis
4 Fourier-Reihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1
Fourier-Reihe einer periodischen Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2
Fourier-Zerlegung einer nichtsinusförmigen Schwingung . . . . . . . . . . . . . . .
4.3
Spezielle Fourier-Reihen (Tabelle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
190
190
193
195
VII Lineare Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
1 Reelle Matrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1
Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1
n-dimensionale Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.2
Definition einer reellen Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.3
Spezielle Matrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.4
Gleichheit von Matrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2
Spezielle quadratische Matrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1
Diagonalmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2
Einheitsmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3
Dreiecksmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.4
Symmetrische Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.5
Schiefsymmetrische Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.6
Orthogonale Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3
Rechenoperationen für Matrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1
Addition und Subtraktion von Matrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2
Multiplikation einer Matrix mit einem Skalar . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.3
Multiplikation von Matrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4
Reguläre Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5
Inverse Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.1
Definition einer inversen Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.2
Berechnung einer inversen Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.2.1 Berechnung der inversen Matrix A/1
unter Verwendung von Unterdeterminanten . . . . . . . . . . .
1.5.2.2 Berechnung der inversen Matrix A/1 nach dem
Gaußschen Algorithmus (Gauß-Jordan-Verfahren) . . . . .
1.6
Rang einer Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.1
Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.1.1 Unterdeterminanten einer Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.1.2 Rang einer Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.1.3 Elementare Umformungen einer Matrix . . . . . . . . . . . . . .
1.6.2
Rangbestimmung einer Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.2.1 Rangbestimmung einer (m; n)-Matrix A
unter Verwendung von Unterdeterminanten . . . . . . . . . . .
1.6.2.2 Rangbestimmung einer (m; n)-Matrix A
mit Hilfe elementarer Umformungen . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Determinanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1
Zweireihige Determinanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2
Dreireihige Determinanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3
Determinanten höherer Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1
Unterdeterminate Dik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2
Algebraisches Komplement (Adjunkte) Aik . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3
Definition einer n-reihigen Determinante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
198
198
198
200
201
201
201
202
202
202
202
202
203
203
203
203
204
205
205
205
206
206
206
207
207
207
207
207
208
208
208
209
209
210
211
211
211
211
Inhaltsverzeichnis
2.4
2.5
2.6
Laplacescher Entwicklungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rechenregeln für n-reihige Determinanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Regeln zur praktischen Berechnung einer n-reihigen Determinante . . . . . . .
2.6.1
Elementare Umformungen einer n-reihigen Determinante . . . . . . .
2.6.2
Reduzierung und Berechnung einer n-reihigen Determinante . . . .
XIX
212
212
214
214
214
3 Lineare Gleichungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1
Definition eines linearen Gleichungssystems . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2
Spezielle lineare Gleichungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lösungsverhalten eines linearen (m; n)-Gleichungssystems . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1
Kriterium für die Lösbarkeit eines linearen (m; n)-Systems
Ax ¼ c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2
Lösungsmenge eines linearen (m; n)-Systems Ax ¼ c . . . . . . . . .
Lösungsverhalten eines quadratischen linearen Gleichungssystems . . . . . . .
Lösungsverfahren für ein lineares Gleichungssystem nach Gauß
(Gaußscher Algorithmus) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1
#quivalente Umformungen eines linearen (m; n)-Systems . . . . . . .
3.4.2
Gaußscher Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cramersche Regel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lineare Unabhängigkeit von Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
215
215
215
216
216
216
217
218
218
218
221
221
4 Komplexe Matrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
Definition einer komplexen Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rechenoperationen und Rechenregeln für komplexe Matrizen . . . . . . . . . . .
Konjugiert komplexe Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Konjugiert transponierte Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spezielle komplexe Matrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.1
Hermitesche Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.2
Schiefthermitesche Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.3
Unitäre Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
222
223
223
224
224
224
224
225
5 Eigenwertprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.1
5.2
Eigenwerte und Eigenvektoren einer quadratischen Matrix . . . . . . . . . . . . . . 225
Eigenwerte und Eigenvektoren spezieller n-reihiger Matrizen . . . . . . . . . . . . 227
VIII Komplexe Zahlen und Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
1 Darstellungsformen einer komplexen Zahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
1.1
1.2
1.3
Algebraische oder kartesische Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polarformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1
Trigonometrische Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2
Exponentialform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Umrechnungen zwischen den Darstellungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1
Polarform ! Kartesische Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2
Kartesische Form ! Polarform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
228
229
229
229
230
230
230
XX
Inhaltsverzeichnis
2 Grundrechenarten für komplexe Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
2.1
2.2
2.3
Addition und Subtraktion komplexer Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Multiplikation komplexer Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Division komplexer Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
3 Potenzieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
4 Radizieren (Wurzelziehen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5 Natürlicher Logarithmus einer komplexen Zahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
6 Ortskurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
6.1
6.2
6.3
Komplexwertige Funktion einer reellen Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Ortskurve einer parameterabhängigen komplexen Zahl . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Inversion einer Ortskurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
7 Komplexe Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
7.1
7.2
7.3
Definition einer komplexen Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Definitionsgleichungen einiger elementarer Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.1
Trigonometrische Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.2
Hyperbelfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.3
Exponentialfunktion (e-Funktion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wichtige Beziehungen und Formeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.1
Eulersche Formeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.2
Zusammenhang zwischen den trigonometrischen Funktionen
und der komplexen e-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.3
Trigonometrische und Hyperbelfunktionen mit imaginärem
Argument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.4
Additionstheoreme der trigonometrischen und Hyperbelfunktionen
für komplexes Argument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.5
Arkus- und Areafunktionen mit imaginärem Argument . . . . . . . . .
238
238
238
238
239
239
239
239
239
239
240
8 Anwendungen in der Schwingungslehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
8.1
8.2
Darstellung einer harmonischen Schwingung durch einen rotierenden
komplexen Zeiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Ungestörte !berlagerung gleichfrequenter harmonischer Schwingungen
(„Superpositionsprinzip‘‘) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
IX Differential- und Integralrechnung für Funktionen
von mehreren Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
1 Funktionen von mehreren Variablen und ihre Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
1.1
1.2
Definition einer Funktion von mehreren Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Darstellungsformen einer Funktion von zwei Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1
Analytische Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2
Graphische Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2.1 Darstellung einer Funktion als Fläche im Raum . . . . . . .
1.2.2.2 Schnittkurvendiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2.3 Höhenliniendiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
243
243
243
244
244
244
244
Inhaltsverzeichnis
1.3
Spezielle Flächen (Funktionen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1
Ebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2
Rotationsflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2.1 Gleichung einer Rotationsfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2.2 Spezielle Rotationsflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XXI
245
245
245
245
246
2 Partielle Differentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Partielle Ableitungen 1. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1
Partielle Ableitungen 1. Ordnung von z ¼ f ðx; yÞ . . . . . . . . . . . .
2.1.2
Partielle Ableitungen 1. Ordnung von y ¼ f ðx1 ; x2 ; . . . ; xn Þ . . . .
Partielle Ableitungen höherer Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verallgemeinerte Kettenregel (Differentiation nach einem Parameter) . . . . . .
Totales oder vollständiges Differential einer Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.1
Linearisierung einer Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.2
Relative Extremwerte (relative Maxima, relative Minima) . . . . . . .
2.5.3
Extremwertaufgaben mit Nebenbedingungen
(Lagrangesches Multiplikatorverfahren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
247
247
248
249
250
251
253
253
254
255
3 Mehrfachintegrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
3.1
3.2
Doppelintegrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1
Definition eines Doppelintegrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2
Berechnung eines Doppelintegrals in kartesischen Koordinaten . .
3.1.3
Berechnung eines Doppelintegrals in Polarkoordinaten . . . . . . . . .
3.1.4
Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.4.1 Flächeninhalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.4.2 Schwerpunkt einer homogenen ebenen Fläche . . . . . . . .
3.1.4.3 Flächenträgheitsmomente (Flächenmomente 2. Grades)
Dreifachintegrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1
Definition eines Dreichfachintegrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2
Berechnung eines Dreichfachintegrals in kartesischen
Koordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3
Berechnung eines Dreifachintegrals in Zylinderkoordinaten . . . . .
3.2.4
Berechnung eines Dreifachintegrals in Kugelkoordinaten . . . . . . .
3.2.5
Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.5.1 Volumen eines zylindrischen Körpers . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.5.2 Schwerpunkt eines homogenen Körpers . . . . . . . . . . . . .
3.2.5.3 Massenträgheitsmoment eines homogenen Körpers . . . .
257
257
258
260
261
261
261
262
263
263
264
266
266
267
267
268
269
X Gewöhnliche Differentialgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
1.1
1.2
1.3
1.4
Definition einer gewöhnlichen Differentialgleichung n-ter Ordnung . . . . . . .
Lösungen einer Differentialgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anfangswertprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Randwertprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
270
270
270
271
XXII
Inhaltsverzeichnis
2 Differentialgleichungen 1. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Differentialgleichungen 1. Ordnung mit trennbaren Variablen . . . . . . . . . . . .
Spezielle Differentialgleichungen 1. Ordnung, die durch Substitutionen
lösbar sind (Tabelle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Exakte Differentialgleichungen 1. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lineare Differentialgleichungen 1. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1
Definition einer linearen Differentialgleichung 1. Ordnung . . . . . .
2.4.2
Integration der homogenen linearen Differentialgleichung . . . . . . .
2.4.3
Integration der inhomogenen linearen Differentialgleichung . . . . .
2.4.3.1 Integration durch Variation der Konstanten . . . . . . . . . . .
2.4.3.2 Integration durch Aufsuchen einer partikulären Lösung
2.4.4
Lineare Differentialgleichungen 1. Ordnung
mit konstanten Koeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Numerische Integration einer Differentialgleichung 1. Ordnung . . . . . . . . . .
2.5.1
Streckenzugverfahren von Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.2
Runge-Kutta-Verfahren 2. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.3
Runge-Kutta-Verfahren 4. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
271
272
273
274
274
274
274
274
275
275
277
277
279
280
3 Differentialgleichungen 2. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
3.1
3.2
3.3
Spezielle Differentialgleichungen 2. Ordnung, die sich auf
Differentialgleichungen 1. Ordnung zurückführen lassen . . . . . . . . . . . . . . .
Lineare Differentialgleichungen 2. Ordnung mit konstanten Koeffizienten . .
3.2.1
Definition einer linearen Differentialgleichung 2. Ordnung
mit konstanten Koeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2
Integration der homogenen linearen Differentialgleichung . . . . . . .
3.2.2.1 Wronski-Determinante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2.2 Allgemeine Lösung der homogenen linearen
Differentialgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3
Integration der inhomogenen linearen Differentialgleichung . . . . .
Numerische Integration einer Differentialgleichung 2. Ordnung . . . . . . . . . .
283
284
284
284
284
284
285
288
4 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
4.1
4.2
Mechanische Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1
Allgemeine Schwingungsgleichung der Mechanik . . . . . . . . . . . . .
4.1.2
Freie ungedämpfte Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3
Freie gedämpfte Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3.1 Schwache Dämpfung (Schwingungsfall) . . . . . . . . . . . . .
4.1.3.2 Aperiodischer Grenzfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3.3 Aperiodisches Verhalten bei starker Dämpfung (Kriechfall)
4.1.4
Erzwungene Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.4.1 Differentialgleichung der erzwungenen Schwingung . . .
4.1.4.2 Stationäre Lösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Schwingungen in einem Reihenschwingkreis . . . . . . . . . . . . . . .
291
291
291
292
292
293
293
294
294
294
295
5 Lineare Differentialgleichungen n-ter Ordnung mit konstanten Koeffizienten . . 296
5.1
Definition einer linearen Differentialgleichung n-ter Ordnung
mit konstanten Koeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Inhaltsverzeichnis
5.2
5.3
XXIII
Integration der homogenen linearen Differentialgleichung . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1
Wronski-Determinante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2
Allgemeine Lösung der homogenen linearen Differentialgleichung
Integration der inhomogenen linearen Differentialgleichung . . . . . . . . . . . . .
296
296
297
298
6 Systeme linearer Differentialgleichungen 1. Ordnung mit konstanten
Koeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
6.1
6.2
6.3
Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Integration des homogenen linearen Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Integration des inhomogenen linearen Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.1
Integration durch Aufsuchen einer partikulären Lösung . . . . . . . . .
6.3.2
Einsetzungs- oder Eliminationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
300
300
301
301
302
XI Fehler- und Ausgleichsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
1 Gaußsche Normalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
2 Auswertung einer Messreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
3 Gaußsches Fehlerfortpflanzungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
3.1
3.2
Gaußsches Fehlerfortpflanzungsgesetz für eine Funktion
von zwei unabhängigen Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Gaußsches Fehlerfortpflanzungsgesetz für eine Funktion
von n unabhängigen Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
4 Lineares Fehlerfortpflanzungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
5 Ausgleichskurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
5.1
5.2
5.3
Ausgleichung nach dem Gaußschen Prinzip der kleinsten Quadrate . . . . . . . 312
Ausgleichs- oder Regressionsgerade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Ausgleichs- oder Regressionsparabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
XII Fourier-Transformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
2 Spezielle Fourier-Transformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
3 Wichtige „Hilfsfunktionen“ in den Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
3.1
3.2
3.3
Sprungfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
Rechteckige Impulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Diracsche Deltafunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
4 Eigenschaften der Fourier-Transformation (Transformationssätze) . . . . . . . . . . . 329
4.1
4.2
4.3
4.4
Linearitätssatz (Satz über Linearkombinationen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
#hnlichkeitssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verschiebungssatz (Zeitverschiebungssatz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dämpfungssatz (Frequenzverschiebungssatz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
329
329
330
331
XXIV
4.5
4.6
4.7
4.8
Inhaltsverzeichnis
Ableitungssätze (Differentiationssätze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.1
Ableitungssatz (Differentiationssatz) für die Originalfunktion . . . .
4.5.2
Ableitungssatz (Differentiationssatz) für die Bildfunktion . . . . . . .
Integrationssätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Faltungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vertauschungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
332
332
333
334
334
335
5 Anwendung: Lösung linearer Differentialgleichungen mit konstanten
Koeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
5.1
5.2
5.3
Allgemeines Lösungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
Lineare Differentialgleichungen 1. Ordnung mit konstanten Koeffizienten . . 336
Lineare Differentialgleichungen 2. Ordnung mit konstanten Koeffizienten . . 337
6 Tabellen spezieller Fourier-Transformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
XIII Laplace-Transformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
2 Eigenschaften der Laplace-Transformation (Transformationssätze) . . . . . . . . . . 345
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
Linearitätssatz (Satz über Linearkombinationen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
#hnlichkeitssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verschiebungssätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dämpfungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ableitungssätze (Differentiationssätze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.1
Ableitungssatz (Differentiationssatz) für die Originalfunktion . . . .
2.5.2
Ableitungssatz (Differentiationssatz) für die Bildfunktion. . . . . . . .
Integrationssätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.1
Integrationssatz für die Originalfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2
Integrationssatz für die Bildfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Faltungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Grenzwertsätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
345
346
347
348
348
348
350
350
350
351
352
353
3 Laplace-Transformierte einer periodischen Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
4 Laplace-Transformierte spezieller Funktionen (Impulse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
5 Anwendung: Lösung linearer Anfangswertprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
5.1
5.2
5.3
Allgemeines Lösungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
Lineare Differentialgleichungen 1. Ordnung mit konstanten Koeffizienten . . 361
Lineare Differentialgleichungen 2. Ordnung mit konstanten Koeffizienten . . 362
6 Tabelle spezieller Laplace-Transformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Inhaltsverzeichnis
XXV
XIV Vektoranalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
1 Ebene und räumliche Kurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Vektorielle Darstellung einer Kurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Differentiation eines Vektors nach einem Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1
Ableitung einer Vektorfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2
Tangentenvektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3
Ableitungsregeln für Summen und Produkte . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.4
Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektor
eines Massenpunktes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bogenlänge einer Kurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tangenten- und Hauptnormaleneinheitsvektor einer Kurve . . . . . . . . . . . . . .
Krümmung einer Kurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
368
369
369
369
369
370
371
371
372
2 Flächen im Raum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
2.1
2.2
2.3
2.4
Vektorielle Darstellung einer Fläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Flächenkurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Flächennormale und Flächenelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tangentialebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1
Tangentialebene einer Fläche vom Typ ~
r ¼~
r ðu; vÞ . . . . . . . . . . .
2.4.2
Tangentialebene einer Fläche vom Typ z ¼ f ðx; yÞ. . . . . . . . . . . .
2.4.3
Tangentialebene einer Fläche vom Typ Fðx; y; zÞ ¼ 0 . . . . . . . . .
374
375
375
376
376
377
377
3 Skalar- und Vektorfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
3.1
3.2
Skalarfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
Vektorfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
4 Gradient eines Skalarfeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
5 Divergenz und Rotation eines Vektorfeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
5.1
5.2
5.3
Divergenz eines Vektorfeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
Rotation eines Vektorfeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
Spezielle Vektorfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
6 Darstellung von Gradient, Divergenz, Rotation und Laplace-Operator
in speziellen Koordinatensystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
6.1
6.2
6.3
Darstellung in Polarkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
Darstellung in Zylinderkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
Darstellung in Kugelkoordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
7 Linien- oder Kurvenintegrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
Linienintegral in der Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Linienintegral im Raum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wegunabhängigkeit eines Linien- oder Kurvenintegrals . . . . . . . . . . . . . . . .
Konservative Vektorfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arbeitsintegral (Arbeit eines Kraftfeldes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
392
394
394
395
396
XXVI
Inhaltsverzeichnis
8 Oberflächenintegrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
8.1
8.2
Definition eines Oberflächenintegrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Berechnung eines Oberflächenintegrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.1
Berechnung eines Oberflächenintegrals in symmetriegerechten
Koordinaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.2
Berechnung eines Oberflächenintegrals unter Verwendung
von Flächenparametern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
397
398
398
399
9 Integralsätze von Gauß und Stokes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
9.1
9.2
Gaußscher Integralsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
Stokesscher Integralsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
XV Wahrscheinlichkeitsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
1 Hilfsmittel aus der Kombinatorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
1.1
1.2
1.3
Permutationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
Kombinationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
Variationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
2 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
3 Wahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
Absolute und relative Häufigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wahrscheinlichkeitsaxiome von Kolmogoroff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Laplace-Experimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bedingte Wahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Multiplikationssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Stochastisch unabhängige Ereignisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mehrstufige Zufallsexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
407
408
408
409
409
410
410
4 Wahrscheinlichkeitsverteilung einer Zufallsvariablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
4.1
4.2
4.3
Zufallsvariable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
Verteilungsfunktion einer Zufallsvariablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
Kennwerte oder Maßzahlen einer Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
5 Spezielle diskrete Wahrscheinlichkeitsverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
5.1
5.2
5.3
5.4
Binomialverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hypergeometrische Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Poisson-Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Approximationen diskreter Wahrscheinlichkeitsverteilungen (Tabelle) . . . . .
417
419
421
422
6 Spezielle stetige Wahrscheinlichkeitsverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
6.1
Gaußsche Normalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
6.1.1
Allgemeine Normalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
6.1.2
Standardnormalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
Inhaltsverzeichnis
XXVII
6.1.3
6.2
Berechnung von Wahrscheinlichkeiten mit Hilfe der tabellierten
Verteilungsfunktion der Standardnormalverteilung . . . . . . . . . . . . . 425
6.1.4
Quantile der Standardnormalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
Exponentialverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
7 Wahrscheinlichkeitsverteilungen von mehreren Zufallsvariablen . . . . . . . . . . . . . 428
7.1
7.2
Mehrdimensionale Zufallsvariable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Summen, Linearkombinationen und Produkte von Zufallsvariablen . . . . . . .
7.2.1
Additionssätze für Mittelwerte und Varianzen . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.2
Multiplikationssatz für Mittelwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.3
Wahrscheinlichkeitsverteilung einer Summe . . . . . . . . . . . . . . . . . .
428
430
430
431
431
8 Prüf- oder Testverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
8.1
8.2
Chi-Quadrat-Verteilung („ c 2-Verteilung“) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
t-Verteilung von Student . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
XVI Grundlagen der mathematischen Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
1.1
1.2
1.3
Zufallsstichproben aus einer Grundgesamtheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
Häufigkeitsverteilung einer Stichprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
Gruppierung der Stichprobenwerte bei umfangreichen Stichproben . . . . . . . 439
2 Kennwerte oder Maßzahlen einer Stichprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
2.1
2.2
2.3
Mittelwert, Varianz und Standardabweichung einer Stichprobe . . . . . . . . . . . 442
Berechnung der Kennwerte unter Verwendung der Häufigkeitsfunktion . . . . 444
Berechnung der Kennwerte einer gruppierten Stichprobe . . . . . . . . . . . . . . . 445
3 Statistische Schätzmethoden für unbekannte Parameter
(„Parameterschätzungen“) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
3.1
3.2
3.3
Aufgaben der Parameterschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schätzfunktionen und Schätzwerte für unbekannte Parameter
(„Punktschätzungen“) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1
Schätz- und Stichprobenfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2
Schätzungen für den Mittelwert m und die Varianz s 2 . . . . . . . .
3.2.3
Schätzungen für einen Anteilswert p
(Parameter p einer Binomialverteilung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.4
Schätzwerte für die Parameter spezieller Wahrscheinlichkeitsverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vertrauens- oder Konfidenzintervalle für unbekannte Parameter
(„Intervallschätzungen“) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1
Vertrauens- oder Konfidenzintervalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2
Vertrauensintervalle für den unbekannten Mittelwert m
einer Normalverteilung bei bekannter Varianz s 2 . . . . . . . . . . . . .
3.3.3
Vertrauensintervalle für den unbekannten Mittelwert m
einer Normalverteilung bei unbekannter Varianz s 2 . . . . . . . . . . .
446
446
446
447
448
448
449
449
450
451
XXVIII
Inhaltsverzeichnis
3.3.4
3.3.5
3.3.6
3.3.7
Vertrauensintervalle für den unbekannten Mittelwert m
bei einer beliebigen Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vertrauensintervalle für die unbekannte Varianz s 2
einer Normalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vertrauensintervalle für einen unbekannten Anteilswert p
(Parameter p einer Binomialverteilung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Musterbeispiel für die Bestimmung eines Vertrauensintervalls . . . .
452
453
454
455
4 Statistische Prüfverfahren für unbekannte Parameter („Parametertests“) . . . . . 456
4.1
4.2
Statistische Hypothesen und Parametertests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spezielle Parametertests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1
Test für den unbekannten Mittelwert m einer Normalverteilung
bei bekannter Varianz s 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2
Test für den unbekannten Mittelwert m einer Normalverteilung
bei unbekannter Varianz s 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3
Tests für die Gleichheit der unbekannten Mittelwerte m1 und m2
zweier Normalverteilungen („Differenzentests“) . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.1 Differenzentests für Mittelwerte bei abhängigen
Stichproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.2 Differenzentests für Mittelwerte bei unabhängigen
Stichproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4
Tests für die unbekannte Varianz s 2 einer Normalverteilung . . .
4.2.5
Tests für den unbekannten Anteilswert p
(Parameter p einer Binomialverteilung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.6
Musterbeispiel für einen Parametertest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
456
457
457
459
460
461
462
466
468
470
5 Chi-Quadrat-Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
XXIX
Anhang
Teil A
Integraltafel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
Integrale
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
mit
ax þ b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ax þ b und px þ q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a2 þ x2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a2 / x2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ax2 þ bx þ c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a3 + x3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a4 þ x4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a4 / x4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ax þ b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ax þ b und px þ q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ax þ b und
px þ q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
2
2
a þ x ..............................................
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a2 / x 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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x2 / a2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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ax2 þ bx þ c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
sin ðaxÞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
cos ðaxÞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
sin ðaxÞ und cos ðaxÞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
tan ðaxÞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
cot ðaxÞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
einer Arkusfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
eax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ln x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
sinh ðaxÞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
cosh ðaxÞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
sinh ðaxÞ und cosh ðaxÞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
tanh ðaxÞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
coth ðaxÞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
einer Areafunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
477
478
479
480
482
484
484
484
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486
487
488
490
492
494
496
498
500
503
503
504
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508
509
510
511
511
512
XXX
Anhang
Teil B
Tabellen zur Wahrscheinlichkeitsrechnung und Statistik . . . . . . . . . . . 513
Tabelle 1:
Verteilungsfunktion fðuÞ der Standardnormalverteilung . . . . . . . . . . . . . . 514
Tabelle 2:
Quantile der Standardnormalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
Tabelle 3:
Quantile der Chi-Quadrat-Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
Tabelle 4:
Quantile der t-Verteilung von „Student“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522