Vorwort | 6 |
Inhaltsverzeichnis | 8 |
1 Grundlagen | 20 |
1.1 Logik und Mengen | 20 |
1.1.1 Aussagenlogik | 20 |
1.1.2 Mengen | 23 |
1.2 Zahlen | 26 |
1.2.1 Natürliche Zahlen | 26 |
1.2.2 Ganze Zahlen | 27 |
1.2.3 Rationale Zahlen | 28 |
1.2.4 Reelle Zahlen | 29 |
1.2.5 Ordnung | 31 |
1.2.6 Intervalle | 32 |
1.2.7 Betrag und Signum | 33 |
1.2.8 Summe und Produkt | 36 |
1.3 Potenz und Wurzel | 37 |
1.3.1 Potenzen | 37 |
1.3.2 Potenzgesetze | 38 |
1.3.3 Wurzeln | 38 |
1.3.4 Binomischer Satz | 39 |
1.4 Trigonometrie | 41 |
1.4.1 Trigonometrie im rechtwinkligen Dreieck | 41 |
1.4.2 Winkel im Grad- und Bogenmaß | 43 |
1.4.3 Sinus- und Kosinussatz | 44 |
1.5 Gleichungen und Ungleichungen | 45 |
1.5.1 Lineare Gleichungen | 46 |
1.5.2 Potenzgleichungen | 47 |
1.5.3 Quadratische Gleichungen | 47 |
1.5.4 Wurzelgleichungen | 49 |
1.5.5 Ungleichungen | 50 |
1.6 Beweise | 52 |
1.6.1 Direkter Beweis | 53 |
1.6.2 Indirekter Beweis | 53 |
1.6.3 Konstruktiver Beweis | 54 |
1.6.4 Vollständige Induktion | 55 |
1.7 Aufgaben | 57 |
2 Lineare Gleichungssysteme | 62 |
2.1 Einführung | 62 |
2.2 Gauß-Algorithmus | 64 |
2.2.1 Äquivalenzumformungen | 65 |
2.2.2 Vorwärtselimination | 66 |
2.2.3 Rückwärtseinsetzen | 67 |
2.2.4 Gaußsches Eliminationsverfahren | 68 |
2.2.5 Rechenschema | 69 |
2.3 Spezielle Typen linearer Gleichungssysteme | 71 |
2.3.1 Lineare Gleichungssysteme ohne Lösung | 71 |
2.3.2 Lineare Gleichungssysteme mit unendlich vielen Lösungen | 72 |
2.3.3 Systeme mit redundanten Gleichungen | 73 |
2.3.4 Unterbestimmte lineare Gleichungssysteme | 74 |
2.3.5 Überbestimmte lineare Gleichungssysteme | 75 |
2.3.6 Homogene lineare Gleichungssysteme | 76 |
2.3.7 Lineare Gleichungssysteme mit Parametern | 78 |
2.4 Numerische Verfahren | 80 |
2.4.1 Jacobi-Iteration | 80 |
2.4.2 Gauß-Seidel-Iteration | 81 |
2.5 Anwendungen | 82 |
2.5.1 Produktion | 82 |
2.5.2 Netzwerkanalyse in der Elektrotechnik | 83 |
2.6 Aufgaben | 84 |
3 Vektoren | 86 |
3.1 Der Begriff eines Vektors | 86 |
3.2 Vektorrechnung ohne Koordinaten | 88 |
3.2.1 Addition und Subtraktion | 88 |
3.2.2 Skalare Multiplikation | 90 |
3.2.3 Skalarprodukt | 91 |
3.2.4 Vektorprodukt | 95 |
3.2.5 Spatprodukt | 97 |
3.2.6 Lineare Unabhängigkeit | 99 |
3.3 Vektoren in Koordinatendarstellung | 103 |
3.3.1 Koordinatendarstellung | 104 |
3.3.2 Addition und Subtraktion | 105 |
3.3.3 Skalare Multiplikation | 106 |
3.3.4 Skalarprodukt | 106 |
3.3.5 Vektorprodukt | 108 |
3.3.6 Spatprodukt | 110 |
3.3.7 Lineare Unabhängigkeit | 110 |
3.4 Punkte, Geraden und Ebenen | 113 |
3.4.1 Kartesisches Koordinatensystem | 113 |
3.4.2 Parameterdarstellung von Geraden und Ebenen | 115 |
3.4.3 Parameterfreie Darstellung von Geraden und Ebenen | 117 |
3.4.4 Schnitte von Geraden und Ebenen | 118 |
3.4.5 Abstände | 120 |
3.4.6 Winkel | 123 |
3.5 Anwendungen | 125 |
3.5.1 Kraft | 125 |
3.5.2 Arbeit | 125 |
3.5.3 Drehmoment | 126 |
3.6 Aufgaben | 127 |
4 Matrizen | 132 |
4.1 Der Begriff einer Matrix | 132 |
4.2 Rechnen mit Matrizen | 136 |
4.2.1 Addition, Subtraktion und skalare Multiplikation | 137 |
4.2.2 Multiplikation von Matrizen | 138 |
4.3 Determinanten | 144 |
4.3.1 Determinante einer (2,2)-Matrix | 144 |
4.3.2 Determinante einer (3,3)-Matrix | 146 |
4.3.3 Determinante einer (n,n)-Matrix | 150 |
4.4 Inverse Matrix | 153 |
4.4.1 Invertierbare Matrizen | 154 |
4.4.2 Inverse einer (2,2)-Matrix | 155 |
4.4.3 Inverse Matrix und lineares Gleichungssystem | 156 |
4.4.4 Orthogonale Matrizen | 156 |
4.5 Lineare Abbildungen | 157 |
4.5.1 Matrizen als Abbildungen | 157 |
4.5.2 Koordinatentransformation | 158 |
4.5.3 Kern, Bild und Rang | 160 |
4.6 Eigenwerte und Eigenvektoren | 161 |
4.7 Numerische Verfahren | 167 |
4.8 Anwendungen | 168 |
4.9 Aufgaben | 170 |
5 Funktionen | 174 |
5.1 Relationen und Funktionen | 174 |
5.1.1 Relationen | 174 |
5.1.2 Funktionen | 175 |
5.2 Reelle Funktionen | 177 |
5.2.1 Definitionsmenge, Zielmenge und Wertemenge | 177 |
5.2.2 Wertetabelle und Schaubild | 179 |
5.2.3 Explizite und implizite Darstellung | 181 |
5.2.4 Abschnittsweise definierte Funktionen | 182 |
5.2.5 Funktionsschar | 184 |
5.2.6 Verkettung von Funktionen | 185 |
5.3 Eigenschaften | 188 |
5.3.1 Symmetrie | 189 |
5.3.2 Periode | 192 |
5.3.3 Monotonie | 193 |
5.3.4 Beschränktheit | 194 |
5.4 Das Prinzip der Umkehrfunktion | 195 |
5.5 Anwendungen | 198 |
5.5.1 Messwerte | 198 |
5.5.2 Kennfelder | 199 |
5.6 Aufgaben | 200 |
6 Elementare Funktionen | 202 |
6.1 Potenz- und Wurzelfunktionen | 202 |
6.1.1 Potenzfunktionen | 202 |
6.1.2 Wurzelfunktionen | 204 |
6.2 Polynome und gebrochenrationale Funktionen | 205 |
6.2.1 Polynome | 205 |
6.2.2 Gebrochenrationale Funktionen | 213 |
6.3 Sinus, Kosinus, Tangens und Arkusfunktionen | 221 |
6.3.1 Definition am Einheitskreis | 221 |
6.3.2 Eigenschaften | 222 |
6.3.3 Allgemeine Sinus- und Kosinusfunktion | 225 |
6.3.4 Arkusfunktionen | 227 |
6.4 Exponential- und Logarithmusfunktionen | 232 |
6.4.1 Exponentialfunktionen | 232 |
6.4.2 Die e-Funktion | 233 |
6.4.3 Logarithmusfunktionen | 235 |
6.5 Hyperbel- und Areafunktionen | 238 |
6.5.1 Hyperbelfunktionen | 238 |
6.5.2 Areafunktionen | 240 |
6.6 Anwendungen | 241 |
6.6.1 Freileitungen | 241 |
6.6.2 Industrieroboter | 242 |
6.7 Aufgaben | 243 |
7 Folgen, Grenzwerte und Stetigkeit | 246 |
7.1 Folgen | 246 |
7.1.1 Zahlenfolgen | 246 |
7.1.2 Grenzwert einer Folge | 250 |
7.2 Funktionsgrenzwerte | 254 |
7.3 Stetigkeit | 256 |
7.4 Asymptotisches Verhalten | 261 |
7.5 Numerische Verfahren | 265 |
7.5.1 Berechnung von Funktionswerten | 266 |
7.5.2 Bisektionsverfahren | 267 |
7.6 Anwendungen | 269 |
7.7 Aufgaben | 270 |
8 Differenzialrechnung | 272 |
8.1 Steigung und Ableitungsfunktion | 272 |
8.1.1 Tangente und Differenzierbarkeit | 272 |
8.1.2 Differenzial | 276 |
8.1.3 Ableitungsfunktion | 276 |
8.1.4 Mittelwertsatz der Differenzialrechnung | 280 |
8.1.5 Höhere Ableitungen | 281 |
8.2 Ableitungstechnik | 282 |
8.2.1 Ableitungsregeln | 282 |
8.2.2 Ableitung der Umkehrfunktion | 287 |
8.2.3 Logarithmisches Differenzieren | 289 |
8.2.4 Implizites Differenzieren | 290 |
8.2.5 Zusammenfassung | 291 |
8.3 Regel von Bernoulli-de l'Hospital | 292 |
8.4 Geometrische Bedeutung der 8.4 Ableitungen | 296 |
8.4.1 Neigungswinkel und Schnittwinkel | 296 |
8.4.2 Monotonie | 298 |
8.4.3 Krümmung | 299 |
8.4.4 Lokale Extrema | 300 |
8.4.5 Wendepunkte | 304 |
8.4.6 Globale Extrema | 305 |
8.5 Numerische Verfahren | 306 |
8.5.1 Numerische Differenziation | 307 |
8.5.2 Newton-Verfahren | 308 |
8.5.3 Sekantenverfahren | 310 |
8.6 Anwendungen | 311 |
8.6.1 Fehlerrechnung | 311 |
8.6.2 Extremwertaufgaben | 313 |
8.6.3 Momentan- und Durchschnittsgeschwindigkeit | 315 |
8.7 Aufgaben | 316 |
9 Integralrechnung | 322 |
9.1 Flächenproblem | 322 |
9.1.1 Integralsymbol | 322 |
9.1.2 Integral als Grenzwert von Summen | 323 |
9.1.3 Bestimmtes Integral | 325 |
9.2 Zusammenhang von Ableitung und Integral | 326 |
9.2.1 Integralfunktion | 326 |
9.2.2 Stammfunktion | 328 |
9.2.3 Bestimmtes Integral und Stammfunktion | 330 |
9.2.4 Mittelwertsatz der Integralrechnung | 331 |
9.3 Integrationstechnik | 333 |
9.3.1 Integrationsregeln | 333 |
9.3.2 Integration durch Substitution | 337 |
9.3.3 Partielle Integration | 344 |
9.3.4 Gebrochenrationale Funktionen | 346 |
9.3.5 Uneigentliche Integrale | 349 |
9.4 Länge, Flächeninhalt und Volumen | 352 |
9.4.1 Flächeninhalte | 352 |
9.4.2 Bogenlänge | 354 |
9.4.3 Rotationskörper | 356 |
9.5 Numerische Verfahren | 360 |
9.5.1 Trapezregel | 361 |
9.5.2 Romberg-Verfahren | 363 |
9.6 Anwendungen | 363 |
9.6.1 Effektivwert | 363 |
9.6.2 Schwerpunkte und statische Momente ebener Flächen | 364 |
9.7 Aufgaben | 368 |
10 Potenzreihen | 372 |
10.1 Unendliche Reihen | 373 |
10.2 Potenzreihen und Konvergenz | 377 |
10.3 Taylor-Reihen | 378 |
10.4 Eigenschaften | 380 |
10.5 Numerische Verfahren | 386 |
10.6 Anwendungen | 387 |
10.7 Aufgaben | 388 |
11 Kurven | 390 |
11.1 Parameterdarstellung | 390 |
11.2 Kegelschnitte | 393 |
11.3 Tangente | 399 |
11.4 Krümmung | 401 |
11.5 Bogenlänge | 404 |
11.6 Numerische Verfahren | 406 |
11.7 Anwendungen | 408 |
11.7.1 Mechanik | 408 |
11.7.2 Straßenbau | 409 |
11.8 Aufgaben | 411 |
12 Funktionen mit mehreren Variablen | 414 |
12.1 Definition und Darstellung | 414 |
12.1.1 Definition einer Funktion mit mehreren Variablen | 414 |
12.1.2 Schaubild einer Funktion mit mehreren Variablen | 415 |
12.1.3 Schnittkurven mit Ebenen und Höhenlinien | 415 |
12.2 Grenzwert und Stetigkeit | 419 |
12.2.1 Grenzwert einer Funktion mit mehreren Variablen | 419 |
12.2.2 Stetigkeit | 420 |
12.3 Differenziation | 421 |
12.3.1 Partielle Ableitungen und partielle Differenzierbarkeit | 421 |
12.3.2 Differenzierbarkeit und Tangentialebene | 424 |
12.3.3 Gradient und Richtungsableitung | 426 |
12.3.4 Differenzial | 429 |
12.3.5 Höhere partielle Ableitungen | 432 |
12.3.6 Extremwerte | 434 |
12.4 Ausgleichsrechnung | 436 |
12.4.1 Methode der kleinsten Fehlerquadrate | 436 |
12.4.2 Ausgleichsrechnung mit Polynomen | 437 |
12.4.3 Lineare Ausgleichsrechnung | 441 |
12.5 Vektorwertige Funktionen | 443 |
12.6 Numerische Verfahren | 444 |
12.6.1 Mehrdimensionales Newton-Verfahren | 444 |
12.6.2 Gradientenverfahren | 446 |
12.7 Anwendungen | 448 |
12.8 Aufgaben | 450 |
13 Komplexe Zahlen und Funktionen | 452 |
13.1 Definition und Darstellung | 452 |
13.1.1 Komplexe Zahlen | 452 |
13.1.2 Gaußsche Zahlenebene | 453 |
13.1.3 Polarkoordinaten | 454 |
13.1.4 Exponentialform | 456 |
13.2 Rechenregeln | 458 |
13.2.1 Gleichheit | 458 |
13.2.2 Addition und Subtraktion | 458 |
13.2.3 Multiplikation und Division | 459 |
13.2.4 Rechnen mit der konjugiert komplexen Zahl | 461 |
13.2.5 Rechnen mit dem Betrag einer komplexen Zahl | 461 |
13.3 Potenzen, Wurzeln und Polynome | 463 |
13.3.1 Potenzen | 464 |
13.3.2 Wurzeln | 464 |
13.3.3 Fundamentalsatz der Algebra | 467 |
13.4 Komplexe Funktionen | 469 |
13.4.1 Ortskurven | 470 |
13.4.2 Harmonische Schwingungen | 471 |
13.4.3 Transformationen | 475 |
13.5 Anwendungen | 479 |
13.6 Aufgaben | 480 |
14 Gewöhnliche Differenzialgleichungen | 482 |
14.1 Einführung | 482 |
14.1.1 Grundbegriffe | 482 |
14.1.2 Anfangswert- und Randwertproblem | 485 |
14.1.3 Richtungsfeld und Orthogonaltrajektorie | 487 |
14.1.4 Differenzialgleichung und Funktionenschar | 489 |
14.2 Differenzialgleichungen erster Ordnung | 490 |
14.2.1 Separation der Variablen | 491 |
14.2.2 Lineare Substitution | 493 |
14.2.3 Ähnlichkeitsdifferenzialgleichungen | 494 |
14.3 Lineare Differenzialgleichungen | 495 |
14.3.1 Homogene und inhomogene lineare Differenzialgleichungen | 495 |
14.3.2 Lineare Differenzialgleichungen erster Ordnung | 498 |
14.3.3 Allgemeine Eigenschaften | 502 |
14.3.4 Differenzialgleichungen mit konstanten Koeffizienten | 505 |
14.4 Schwingungsdifferenzialgleichungen | 518 |
14.4.1 Allgemeine Form | 518 |
14.4.2 Freie Schwingung | 519 |
14.4.3 Harmonisch angeregte Schwingung | 521 |
14.4.4 Frequenzgänge | 525 |
14.5 Differenzialgleichungssysteme | 527 |
14.5.1 Eliminationsverfahren | 527 |
14.5.2 Zustandsvariablen | 529 |
14.5.3 Lineare Systeme mit konstanten Koeffizienten | 531 |
14.5.4 Lineare Differenzialgleichung als System | 537 |
14.5.5 Stabilität | 539 |
14.6 Numerische Verfahren | 543 |
14.6.1 Polygonzugverfahren von Euler | 543 |
14.6.2 Euler-Verfahren für Differenzialgleichungssysteme | 545 |
14.7 Anwendungen | 546 |
14.7.1 Temperaturverlauf | 546 |
14.7.2 Radioaktiver Zerfall | 546 |
14.7.3 Freier Fall mit Luftwiderstand | 547 |
14.7.4 Feder-Masse-Schwinger | 548 |
14.7.5 Pendel | 549 |
14.7.6 Wechselstromkreise | 549 |
14.8 Aufgaben | 552 |
15 Differenzengleichungen | 558 |
15.1 Lineare Differenzengleichungen | 558 |
15.1.1 Differenzengleichungen erster Ordnung | 560 |
15.1.2 Differenzengleichungen höherer Ordnung | 562 |
15.2 Systeme linearer Differenzengleichungen | 566 |
15.2.1 Homogene Systeme erster Ordnung | 567 |
15.2.2 Inhomogene Systeme erster Ordnung | 569 |
15.2.3 Asymptotisches Verhalten | 570 |
15.3 Anwendungen | 572 |
15.4 Aufgaben | 573 |
16 Fourier-Reihen | 574 |
16.1 Fourier-Analyse | 574 |
16.1.1 Periodische Funktionen | 574 |
16.1.2 Trigonometrische Polynome | 576 |
16.1.3 Fourier-Reihe | 578 |
16.1.4 Satz von Fourier | 579 |
16.1.5 Gibbssches Phänomen | 582 |
16.2 Komplexe Darstellung | 584 |
16.2.1 Komplexe Fourier-Reihe | 584 |
16.2.2 Berechnung komplexer Fourier-Koeffizienten | 586 |
16.2.3 Spektrum | 588 |
16.2.4 Minimaleigenschaft | 591 |
16.3 Eigenschaften | 593 |
16.3.1 Symmetrie | 593 |
16.3.2 Integrationsintervall | 594 |
16.3.3 Mittelwert | 595 |
16.3.4 Linearität | 595 |
16.3.5 Ähnlichkeit und Zeitumkehr | 597 |
16.3.6 Zeitverschiebung | 598 |
16.4 Aufgaben | 600 |
17 Verallgemeinerte Funktionen | 602 |
17.1 Heaviside-Funktion | 602 |
17.2 Dirac-Distribution | 604 |
17.3 Verallgemeinerte Ableitung | 606 |
17.4 Faltung | 608 |
17.5 Anwendungen | 612 |
17.6 Aufgaben | 613 |
18 Fourier-Transformation | 614 |
18.1 Integraltransformation | 614 |
18.1.1 Definition | 614 |
18.1.2 Darstellung mit Real- und Imaginärteil | 616 |
18.1.3 Sinus- und Kosinustransformation | 618 |
18.1.4 Transformation gerader und ungerader Funktionen | 619 |
18.1.5 Darstellung mit Amplitude und Phase | 621 |
18.2 Eigenschaften | 622 |
18.2.1 Linearität | 623 |
18.2.2 Zeitverschiebung | 624 |
18.2.3 Amplitudenmodulation | 626 |
18.2.4 Ähnlichkeit und Zeitumkehr | 628 |
18.3 Inverse Fourier-Transformation | 629 |
18.3.1 Definition | 629 |
18.3.2 Vertauschungssatz | 631 |
18.3.3 Linearität | 632 |
18.4 Differenziation, Integration und Faltung | 632 |
18.4.1 Differenziation im Zeitbereich | 632 |
18.4.2 Differenziation im Frequenzbereich | 634 |
18.4.3 Multiplikationssatz | 634 |
18.4.4 Integration | 635 |
18.4.5 Faltung | 636 |
18.5 Periodische Funktionen | 636 |
18.5.1 Fourier-Transformation einer Fourier-Reihe | 637 |
18.5.2 Koeffizienten der Fourier-Reihe | 637 |
18.5.3 Grenzwertbetrachtung | 639 |
18.6 Anwendungen | 641 |
18.6.1 Lineare zeitinvariante Systeme | 641 |
18.6.2 Tiefpassfilter | 643 |
18.7 Aufgaben | 645 |
19 Laplace-Transformation | 648 |
19.1 Bildbereich | 648 |
19.1.1 Definition | 648 |
19.1.2 Laplace- und Fourier-Transformation | 651 |
19.2 Eigenschaften | 652 |
19.2.1 Linearität | 652 |
19.2.2 Ähnlichkeit | 653 |
19.2.3 Zeitverschiebung | 654 |
19.2.4 Dämpfung | 655 |
19.3 Differenziation, Integration und Faltung | 656 |
19.3.1 Differenziation | 656 |
19.3.2 Integration | 658 |
19.3.3 Faltung | 659 |
19.3.4 Grenzwerte | 660 |
19.4 Transformation periodischer Funktionen | 660 |
19.5 Rücktransformation | 662 |
19.6 Lösung gewöhnlicher Differenzialgleichungen | 663 |
19.7 Anwendungen | 669 |
19.8 Aufgaben | 672 |
20 z-Transformation | 674 |
20.1 Transformation diskreter Signale | 674 |
20.1.1 Definition | 674 |
20.1.2 z-Transformation und Laplace-Transformation | 676 |
20.2 Eigenschaften | 677 |
20.2.1 Linearität | 677 |
20.2.2 Dämpfung | 677 |
20.2.3 Verschiebung | 678 |
20.2.4 Vorwärtsdifferenzen | 679 |
20.2.5 Multiplikationssatz | 680 |
20.2.6 Diskrete Faltung | 681 |
20.3 Lösung von Differenzengleichungen | 683 |
20.4 Anwendungen | 686 |
20.5 Aufgaben | 688 |
21 Elementare Zahlentheorie | 690 |
21.1 Teilbarkeit | 690 |
21.2 Kongruente Zahlen | 694 |
21.3 Primzahlen | 699 |
21.4 Anwendungen | 703 |
21.4.1 International Bank Account Number (IBAN) | 703 |
21.4.2 Linearer Kongruenzgenerator für Pseudozufallszahlen | 704 |
21.5 Aufgaben | 705 |
A Anhang | 706 |
A.1 Bedeutende Mathematiker | 706 |
A.2 Trigonometrische Funktionen | 725 |
A.3 Ableitungen | 726 |
A.4 Ableitungsregeln | 726 |
A.5 Integrale | 727 |
A.6 Integralregeln | 728 |
A.7 Potenzreihen | 728 |
A.8 Fourier-Reihen | 729 |
A.9 Korrespondenzen der Fourier-Transformation | 731 |
A.10 Eigenschaften der Fourier-Transformation | 733 |
A.11 Korrespondenzen der Laplace-Transformation | 734 |
A.12 Eigenschaften der Laplace-Transformation | 735 |
A.13 Korrespondenzen der z-Transformationen | 736 |
A.14 Eigenschaften der z-Transformationen | 736 |
A.15 Griechisches Alphabet | 737 |
Literaturverzeichnis | 738 |
Sachwortverzeichnis | 740 |