Übungsaufgaben mit Lösungen. Mathematik I
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- Wilfried Hermann
- vor 5 Jahren
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1 Fachhochschule Pforzheim - Eletrotechi / Iformatiostechi - Übugsaufgabe mit Lösuge zur Vorlesug Mathemati I Prof. Dr. Mazura ud Prof. Dr. Gohout) für Studete der Fachrichtuge Eletrotechi / Techische Iformati Dipl.-Phys. F. Schmidt
2 Ihaltsverzeichis Vetore ud Matrize Aalysis vo Futioe mit eier Variable Folge ud Reihe 6 Komplexe Zahle Aalysis vo Futioe mit mehrere Variable
3 Vetore ud Matrize Nr. Führe Sie, we möglich, die folgede Vetoroperatioe durch. a),, 8), 6) b),, ),, ) c),, ) d), ) Nr. Gegebe sid die folgede beide Vetore. a,, ) b,, ) a) Bereche Sie das Vetorprodut a b. b) Bereche Sie die Beträge der Vetore a, b, a + b ud a b. c) Zeige Sie, dass die Vetore a, b ud a + b serecht zu dem Vetor a b sid. d) Welche Fläche hat das Rechtec, dass vo a b ud a aufgespat wird? Nr. Sid die folgede Vetore liear uabhägig oder icht? a),, b), 7 6, 6 c),,,
4 Nr. Die folgede drei Vetore a, a ud a bilde eie Basis des R. a,, ) a,, ) a,, ) a) Wie laute die Koordiate vo b,, ) ud c 7, 9, ) bezüglich der Basis a, a, a )? b) Mithilfe eier elemetare Basistrasformatio wird a durch b ersetzt. Welche Koordiate hat c bezüglich der eue Basis ) b, a, a? Nr. Bilde Sie aus de Spaltevetore a,, ), a,, ), a,, ) eie Orthoormalbasis. Nr. 6 Bereche Sie die Räge, Determiate ud Iverse der folgede Matrize. 7 7 A B C D
5 Nr. 7 Bereche Sie die Determiate der folgede Matrize. A B 6 C Nr. 8 Bereche Sie die Iverse der folgede Matrize durch allgemeie Matrizeoperatioe ud verifiziere Sie Ihr Ergebis. A 8 B C
6 Lösuge Nr. a),, 8), 6) geht icht, da verschiedee Dimesioe b),, ),, ) geht icht, da Zeile mal Zeile c),, ),, ) 8 d), ), ) ),,, ),,, ) 8,,, ) Nr. a) a b,, ),, ), 7, 8) b) a, b, a + b 77, a b 9 c) a a b ), b a b ), b a b ), ) a + ) b a b d) a a b ),, ), 7, 8) 67,, ) 6 Nr. a) b) c) GAUSS 7 GAUSS 6 6 GAUSS l.u. l.a. l.u. 6
7 Nr. a) Gauss-Algorithmus liefert b 7.,,. ) Gauss-Algorithmus liefert c.,,. ) b) b : x 7., x, x. ) c : y., y, y. ) c hat bzgl. der eue Basis die Koordiate y, y ud y mit y y x y y y x x 8 y y y x x Nr. b a,, ) b,, ) b a a b b b,, ) b 6,, ) b a a b b b a b b b,, ) b,, ) Nr. 6 det A ) rag A) det B rag B) det C ; rag C) det D ; rag D) 7
8 A : 7 6 GAUSS 7 B : 7 9 GAUSS C existiert icht GAUSS liefert D Nr. 7 deta) 9 detb) 6 8
9 detc) 6 Nr. 8 a) 8 7 A 7 b) 6 6 B 6 6 9
10 c) C 6 8 7
11 Aalysis vo Futioe mit eier Variable Nr. Bilde Sie jeweils die Ableitug f x) zu gegebeem fx). a) fx) x x b) fx) si e x) c) fx) l + cos x) d) fx) l l x) e) fx) e si x f) fx) x si x l x Nr. Bestimme Sie die folgede Grezwerte. a) lim x cos x cos x c) lim x e) lim x si x ) x cos ax b) lim x cos bx x f) lim x + x si x cos x si ) x ) d) lim x l + x x si x ) ) x x Nr. Bestimme Sie die Stammfutioe F x) der folgede Futioe fx). a) fx) x b) fx) + x + x c) fx) e x d) fx) + x e) fx) x + 7 x f) fx) 7 x ) Nr. Bestimme Sie die Stammfutioe F x) der folgede Futioe fx) durch partielle Itegratio. a) fx) x e x b) fx) l x x c) fx) x cos x d) fx) cos x si x
12 Nr. Bestimme Sie die Stammfutioe F x) der folgede Futioe fx) durch Substitutio. a) fx) x + ) b) fx) x x c) fx) cos x e si x d) fx) x x ) e) fx) l x x Nr. 6 Bereche Sie die folgede bestimmte Itegrale. a) d) π x + dx b) x si x) dx e) x dx c) x e x dx f) l l x x 8 x + ) dx e x + e x) l + e x ) dx Nr. 7 Existiere die folgede ueigetliche Itegrale? Falls ja, da bestimme Sie ihre Wert. a) d) dx b) x e. x+ dx e) x dx c) dx f) + x) 6 dx x + x dx
13 Lösuge Nr. a) fx) x x e l x) x e x l x f x) e x l x l x + ) x x l x + ) b) fx) si e x) f x) cos e x) e x) x c) fx) l + cos x) f x) cos x) si x) +cos x d) fx) l l x) f x) l x x x l x e) fx) e si x e si x ) e si x f x) e si x cos x) f) fx) x si x l x f x) x x si x+ x cos x ) l x x x si x) l x) Nr. a) b) cos x cos x +x si x cos x si x ) x x si x si x x si x+x cos x +x si x +si x si x ) cos x ) cos x cos x x x cos x+ cos x+cos x x si x) +x si x si x+x cos x) +x si x) si x+x cos x) +x si x) c) x si x si x x x si x si x cos x+cos x x si x d) x l + x e) f) cos ax cos bx x cos x ) si x ) x cos x ) l+ x) x x x a cos ax cos ax a si ax cos ax cos ax ) si x x x si x e l x ) ) x cos x si x x si x x cos x si x) x x si x ) si x si x+x cos x ) si x x x e x x x e si x+x cos x x x + x x ) x + x a si ax b si bx + cos ax cos bx x x + b cos ) bx cos bx+ b si bx cos bx cos bx si x x l x )) ud l si x x ) x x x si x ) cos x cos x x si x x x b a x si x+x cos x Nr. a) fx) x x F x) x + c x + c x x x b) fx) + x + x F x) x + x + x6 + c c) fx) e x F x) e x + c e x + c d) fx) F x) l + x + c + x e) fx) x+7 x x + x + x F x) x + l x + c f) fx) 7 x ) e x l 7 F x) l 7 7 x ) + c
14 Nr. a) F x) x e x dx x e x e x dx x e x e x + c e x x ) + c mit u x u ud v e x v e x ) l x b) F x) dx x l x dx x l x + x dx x mit u l x u x ud v x v x ) x l x x + c l x + ) + c x c) F x) x cos x dx x si x x si x dx mit u x u x ud v si x v cos x) ) x si x x cos x + cos x dx mit u x u ud v cos x v si x) x si x + x cos x si x + c d) F x) cos x si x dx cos x cos x si x dx mit u cos x u cos x si x ud v cos x v si x) F x) cos x + c Nr. a) b) c) d) e) x + ) dx u du u + c x + ) + c mit u x + du dx dx du) x dx u du u + c x x + c mit u x du dx x dx du ) x cos x e si x dx cos x e u du e u du e u + c e si x + c cos x mit u si x du cos x dx dx cos x du) x x ) dx x u ) x du u du mit u x du x dx du ) dx x l x x u + c x ) + c dx u x du u du x u + c l x) + c mit u l x du dx x du) dx x Nr. 6 a) b) c) [ x + dx x + ) ] ) 7.99 x ) dx [ x ) ] x x 8 x + ) dx ).7 u du [ u ].7
15 d) π mit u x 8 x + du dx 6 x 8 dx 6 x 8 du) π + x cos x) dx mit u x u x ud v cos x) v si x) ) x si x) dx [ x cos x) ] π π + [ x si x)] π si x) dx mit u x u ud v si x) v cos x) ) π e) f) l l π + [ cos x)] π x e x dx π.9 x e u x ) du [ eu ] e e ).78 mit u x du dx x dx x du ) e x + e x ) l + e x ) dx e x u l u du u l u du e x mit u + e x du dx ex dx du ) e x [ x l x ] x dx [ x l x ] [ x] mit u l x u ud v x x v x ) x l x dx 8 l 9 l 7. Nr. 7 a) b) c) d) e) f) dx lim x b b x dx lim b lim 6 x + dx lim b [ x dx lim ] x b lim b + ) b b [ x dx lim ] x b b b b b ) b 6 x + ) [ dx lim 6 x + ) b ) lim 6 b + 6 d.h. It. ex. icht b [ e. x+ dx lim e. x+ dx lim e. x+ dx ] b b b b lim ) e e. b+ e b b dx lim + x) b lim + b) + ) b dx lim x) dx lim x b lim b b + x) dx lim b [ + x) ] b b ] b [ ] 8 x) b ) d.h. It. ex. icht b
16 Folge ud Reihe Nr. Utersuche Sie die gegebee füf Folge auf Beschrätheit, Mootoie ud Kovergez, ud gebe Sie evetuell vorhadee Häufugspute ud Grezwerte a. A : 9 ;. ; ; 6. ; 9 ;. ; ;... B : ; ; ; 6 ; 6 ;... C : ; ; ; ; ; 6 ;... D : d ; E : e e + ; e Nr. Eie arithmetische Folge ist gegebe durch ; ; ; 8 ; 76 ; 866 ; 877 ;... Welche Ordug hat diese Folge ud welches Polyom ebedieser Ordug erzeugt die Folge? Nr. Zeige Sie, dass a 7 eie arithmetische Folge. Ordug ist. Nr. Sid die Folge a ) overget oder icht? We ja, da bereche Sie ihre Grezwert. a) a b) a + + c) a + 6
17 Nr. Bestimme Sie die Grezwerte der Folge a ). Vorsicht! Nicht gaz leicht! a) a b) a c) a a + + ) ) ) b ; a, b ɛ R Nr. 6 Utersuche Sie das Kovergezverhalte der gegebee Reihe. a) d) b) ) e)! c) ) Nr. 7 Sid diese Reihe overget oder icht? We ja, da bereche Sie ihre Wert. Vorsicht! Nicht gaz leicht! a) d) ) + b)! e) + + +! c) f) ) + 7 Nr. 8 Bestimme Sie die Kovergezradie der folgede Potezreihe. a) c) e) g) i) a x a ) b) l ) x d) ) x! f) ) x )! h)! m + ) x j) m l x ) x ) x ) x m m m + ) m ) x m 7
18 Lösuge Nr. A: ach ute beschrät; streg mooto steiged; bestimmt diverget B: ach ute ud obe beschrät; icht mooto; overget mit Grezwert C: icht beschrät; icht mooto; diverget D: ach ute ud obe beschrät; streg mooto falled; overget mit Grezwert 7 6 E: ach ute ud obe beschrät; streg mooto steiged; overget mit Grezwert. Nr. a) Ordug b) L x) a i i i i j) L x) a x x x x a x x x x a x x x x x x + x j i j + a x x x x + + a x x x x + Nr Ordug Nr. a) a b) a c) a
19 Nr. a) a ) ). 6 + ) ) ) 6 + ) ).) 6 + ) ).) ) ).) 6 + ) ).) 8 6 ) ) ). ) ) ) b) a a b ) )) a b + ) a ) b + ) a b + a c) a ) a + b a b 6 + ) ). ) ) ) + ) a ) b b ) + ) + ) [ + ) + + ) + ] a + b + ) [ + ) ] + + ) + + ) + ) + + ) + + ) ) + ) + + Nr. 6 a) b) c) d) e) Wurzelrit.: l a ) de l Hospital ergibt:! a Quotieterit.: + a ) ) + e < Kovergez + + ud ) Majoraterit.: + )! + ) +! + + ) + < ist overget Kovergez ; a + a < ud ) + + ; a d.h. a ist eie Nullfolge Divergez l e < Kovergez ) + Kovergez + de l Hospital) 9
20 ) Nr. 7 a) ; ) + + ) 8 9 < Kovergez) ) ) ) ) 6 ) ) 6 8 ) b) + + ; + + overgiert Kovergez l+ l p c) + + p d) ) 8 9) ud + ; ist overget Argumetatio wie bei b)) !! ) + + l+ l p ; a + a! +)! )!! +) ) )!! p+! Kovergez)! + e) ; a + a! +)! + + Kovergez) +)! +) +) e!!! )!!!! f) ) + 7 ; ) ) < Kovergez) ) + 7 ) 9 7 ) 6 6 ) 9 ) ) ) ) ) 6 6 ) ) Nr. 8 a) a x a ) ; l a e r a a a e l a e l a ud
21 b) c) d) e) f) g) h) i) j) l x ; l l l l l ) e ; ud l ) ; e r l ) x ; l ) l + l ) l + l ud l < l + l < l für N). Da l ud l für gege gehe, muss auch l + l gege gehe r ) x a ; + a + ) + ) +... r +... ) x a! ; + a + )! + ) + ) +! + ) + + ) ) r e + e ) x a ; + a + )!!! ) + )! + )! )! + ) + ) + ) ) ) r + ) + ) + ) + ) x ; )! + ) + a + a + ) + )! + + )! ) + ) + ) ) + ) ) 8 + ) ) ) ) ) e mit de l Hospital) r e ) x ; a m m m m a ud ; a r m! m + ) ) + + m x ; r + ) m ) x ; m ) a + + )! ) a! ) a + a + ) + e r + e
22 Komplexe Zahle Nr. Gegebe sid die omplexe Zahle z + i ; z i ud z i. Bereche Sie ud stelle Sie die Ergebisse vo e) bis h) zusätzlich i Polaroordiate dar. a) z + z b) z z c) z z d) z ) e) z z ) z ) f) z ) z g) z z + z ) ) h) z z z z Nr. Trasformiere Sie die folgede i Polaroordiate dargestellte omplexe Zahle i die allgemeie Form. a) ; π) b) ). ; π c) ) ; π d) ) ; π Nr. Bereche Sie. a) + i) b) i) 6 c) + i d) 6 i e) 7 8 i
23 Lösuge Nr. a) z + z + i + i i b) z z + i) i) i z c) z z i) +i) i+ i+ i) +i) z z z + i d) z ) + i) + i + i + i 8 + i 6 i + i e) z z z ) z z ) z ) i i)) i)) + i) i)) i) i i i i) f) z ) z i) + i) 9 i ) + i) i) + i) 7 7 i g) z z + z ) ) i + i) ) i + i ) i) i h) z z z z z z z z ) z z z z z z z z z + i) 6 i) + i) + i) i) + i) + i zu e) z i r ) ud ϕ 9 7 zu f) z 7 7 i r 7) + 7) 8 ud ϕ arcta ) zu g) z i r ud ϕ arcta ) zu h) z 6 + ϕ arcta i r 6 6 ).8 ) ) + 6 ud Nr. Umrechug: x r cos ϕ ud y r si ϕ a) z + i b) z.. i c) z 6 i d) z i
24 Nr. a) + i) cos π + i si )) ) π cos π + i si ) π + i ) + i b) i) 6 cos.89 + i si.89) ) 6 ) 6 cos.97 + i si.97).96 + i.) c) d) e) 7 i + i cos π + i si π 8 cos π + π 6 )) ) + i si π 6 + π )) 6 i cos.89 + i si.89) ) mit,,, 6 cos ) )) π + i si π 7 8 i cos. + i si.) ) cos.98 + π mit,,..., ) )) + i si.98 + π mit,,...,
25 Aalysis vo Futioe mit mehrere Variable Nr. Gebe Sie alle partielle Ableituge erster ud zweiter Ordug der folgede Futioe a. a) fx, y) x x y + x y + y + b) fx, y) x + y ) e x y c) fx, y, z) x y z si x + y + z) d) fx, y, z) x e y z Nr. Utersuche Sie die folgede Futioe auf Extrema ud Sattelpute. a) fx, y) x + y x y b) fx, y) x + x y + y + x + y + c) fx, y) x y x y) d) fx, y, z) x + y + z x y + x + z Nr. Im R ist ei Körper K gegebe durch: K { x, y, z ; y + z ; x + z } Sizziere Sie de Körper K ud bereche Sie sei Volume. Nr. Im R sid die Körper K ud K gegebe durch: K { y + z }, ei uedlicher lager Zylider um die x-achse mit Radius K { x + z }, ei uedlicher lager Zylider um die y-achse mit Radius Sizziere Sie de Schittörper K K K ud bestimmme Sie sei Volume. Nr. Bereche Sie das Volume eier Kugel um de Ursprug mit Radius mit Hilfe eier Itegratio über Zylideroordiate. Nr. 6 Im R sid die Kugel K ud K gegebe durch: K { x + y + z } ud K { x + y + z ) } Sizziere Sie de Schittörper K K K ud bestimmme Sie sei Volume.
26 Lösuge Nr. a) fx, y) x x y + x y + y + f x x x y + y ; f y x y + x y + y f xx 6 x y ; f yy x + x y + y ; f xy f yx 8 x y + y b) fx, y) x + y ) e x y f x x y + x + y ) e x y f y x + y + x y ) e x y ; f xx x y + + y + x y ) e x y f yy x y + + x + x y ) e x y ; f xy f yx x + y + x y + x y ) e x y c) fx, y, z) x y z si x + y + z) f x y z si x + y + z) + x y z cos x + y + z) f y x z si x + y + z) + x y z cos x + y + z) f z x y si x + y + z) + x y z cos x + y + z) f xx y z cos x + y + z) x y z si x + y + z) f yy x z cos x + y + z) x y z si x + y + z) f zz x y cos x + y + z) x y z si x + y + z) f xy f yx y z + x z) cos x + y + z) + z x y z ) si x + y + z) f xz f zx y z + y x) cos x + y + z) + y x y z ) si x + y + z) f yz f zy x y + x z) cos x + y + z) + x x y z ) si x + y + z) d) fx, y, z) x e y x z e y z f x z e y ; f y x z e y ; f z x z e y f xx ; f yy x z e y ; f zz x z e y f xy f yx z e y ; f xz f zx z e y ; f yz f zy x z e y Nr. a) fx, y) x + y x y f x x y ud f y y x f x f y liefert zwei statioäre Pute ; ) ud ; ) f xx 6 x ; f xy f yx ; f yy 6 y det H) f xx f yy f xy ) 6 x y deth) ;) < Sattelput bei ; ) deth) ; ) > ud f xx ; ) > loales Miimum bei ; ) b) fx, y) x + x y + y + x + y + 6
27 f x x + y + ud f y x + y + f x f y liefert de statioäre Put ; ) f xx ; f xy f yx ; f yy deth) f xx f yy f xy ) deth) ; ) > ud f xx ; ) > loales Miimum bei ; ) c) fx, y) x y x y) x y x y x y f x x y x y x y x y x y) f y x y x y x y x y x y) f x f y liefert als statioäre Pute die x -ud die y-achse ud ; ) f xx 6 x y x y 6 x y 6 x y x y) f xy f yx 6 x y 8 x y 9 x y x y 6 8 x 9 y) f yy x x 6 x y x x y) deth) f xx f yy f xy ) x y x 6 x y + 6 x y + 6 y ) Bei alle Pute der x -ud der y-achse gilt deth), d. h. wir öe eie Aussage mache, ob Extrem -oder Sattelpute vorliege. deth) ; ) > ; f xx ; ) < loales Maximum bei ; ) 9 d) fx, y, z) x + y + z x y + x + z f x x y + ; f y y x ; f z z + f x f y f z liefert de statioäre Put ; ; ) f xx f yy f zz ; f xy f yx ; f xz f zx f yz f zy deth) f xx f yy f zz + f xy f yz f zx f xx f yz f yy f xz f zz f xy 6 > deth ) f xx f yy f xy > ; deth ) f xx > loales Miimum bei ; ; ) Nr. Der durch K { x, y, z ; y + z ; x + z } beschriebee Körper ähelt eiem Viertel eies Iglu-Zeltes. Es ergebe sich folgede Greze für die Itegratio: z ; y z ; x z V z z dx dy dz z dz [ z z ] z z y x z 7
28 Nr. Der Schittörper K der beide Zylider K ud K ergibt zwei Iglu-Zelte, also 8 Figure der Nr. zusammegefügt, ur mit eier leicht veräderte Radfutio. Es ergebe sich folgede Greze für die Itegratio: z ; z y z ; z x z V z z y z z x z dx dy dz z z dz [ z z ] z 6 Nr. Das Volume eier Kugel mit Radius soll bestimmt werde. I Zylideroordiate ergebe sich folgede Greze für die Itegratio: ϕ π ; z ; r z V π ϕ z z r r dr dz dϕ π z z r r dr dz dϕ π z [ ] z r dz r V π z z dz π [ z z ] z π Nr. 6 Die beide Kugel K ud K habe jeweils de Radius, ebeso beträgt der Abstad ihrer Mittelpute. Der Schittörper K besteht demach aus Kugelappe der Höhe ud Radius. Eie Asicht der x-z-ebee ergibt für de Rad der utere Kugelappe die Bedigug: r + z) I Zylideroordiate ergebe sich damit die folgede Greze für die Itegratio: ϕ π ; z ; r z z V π ϕ z z z r r dr dz dϕ π z z z r r dr dz π z [ ] z z r dz r V π z z z dz π [z ] z z [ π ] π 8
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