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Analysis 3 | Tiefere Einblicke in die Funktionsanalyse: Exponentielles Wachstum berechnen mit Differentialgleichung, Beispiel 4 | A.30.04

Die Differenzialgleichung vom exponentiellen Wachstum lautet: f'(t)=k*f(t) und sagt damit aus, dass die Änderung immer proportional zum Bestand ist (falls k=0,05, bedeutet das, dass die Zunahme immer 5% vom Bestand ist). Die Zahl “k” heißt Proportionalitätsfaktor oder Wachstumskonstante und taucht auch in der Funktionsgleichung vom exponentiellen Wachstum auf.


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Analysis 3 | Tiefere Einblicke in die Funktionsanalyse: Beschränktes Wachstum berechnen, Beispiel 2 | A.30.05

Begrenztes Wachstum (=beschränktes Wachstum) wächst am Anfang relativ schnell und nähert sich allmählich und immer langsamer einer Grenze (=Schranke), welche mit G oder S bezeichnet wird. Typische Beispiele für begrenztes Wachstum sind Erwärmungs- oder Abkühlungsvorgänge, Mischungsverhältnisse (z.B. irgendein Zeug löst sich in Wasser etc.. auf). Allgemein gilt für begrenztes Wachstum, dass immer ein konstanter Wert zum Bestand dazukommt und ein bestimmter Prozentwert weg geht. Die Funktionsgleichung vom begrenztes Wachstum lautet: f(t)=G+a*e^(-k*t). In einiges Aufgaben fällt das Wort “Sättigungsmanko”. Hierbei handelt es sich um den Wert, um welchen der Bestand überhaupt noch zunehmen kann, also um die Differenz zwischen Grenze und aktuellem Bestand.


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Analysis 3 | Tiefere Einblicke in die Funktionsanalyse: Beschränktes Wachstum mit Differentialgleichung berechnen, Beispiel 2 | A.30.06

Die Differenzialgleichung vom begrenzten Wachstum (=beschränkten Wachstum) lautet: f'(t)=k*(G-f(t)). f'(t) ist die Zunahme (oder Abnahme) des Bestandes, G-f(t) heißt Sättigungsmanko und ist der Wert um welchen der Bestand noch zu- oder abnehmen kann (also die Differenz von Grenze und aktuellem Bestand). Damit sagt die Differenzialgleichung aus, dass die momentane Änderung des Bestands proportional zum Sättigungsmanko ist. Die Parameter “k” und “G” tauchen auch in der Funktionsgleichung auf und heißen: k=Wachstumsfaktor=Proportionalitätsfaktor, G=Grenze=S=Schranke.


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Analysis 3 | Tiefere Einblicke in die Funktionsanalyse: Logistisches Wachstum berechnen | A.30.07

Logistisches Wachstum beschreibt die meisten Wachstumsprozesse aus unserer Umwelt. Eigentlich wird fast jedes Wachstum welches irgendwie mit Lebewesen zu tun hat, durch logistisches Wachstum beschrieben. Das kann das Wachstum von Pflanzen sein, Bevölkerungswachstum, Entwicklung einer Population, etc.. Für die Funktionsgleichung vom logistischen Wachstum gibt es leider recht viele Möglichkeiten. f(t)=b/(c+e^(-k*G*t)) oder f(t)=(a*G)/(a+(G-a)*e^(-k*G*t)). Wir werden hier mit der zweiten Variante rechnen, da in dieser Variante alle Parameter eine Bedeutung haben: a=Anfangswert, G=Grenze, k=Wachstumskonstante.


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Analysis 3 | Tiefere Einblicke in die Funktionsanalyse: Bestandsänderung berechnen | A.31.01

Bei ganz vielen Aufgaben geht es einen Bestand (z.B. eine Temperatur, eine Wassermenge im Behälter, …) und die Änderung von diesem Bestand (die Temperaturzu- oder -abnahme, die Zunahme vom Wasserbestand oder dessen Abnahme,...). Nun geht es darum, dass die Funktion, die die Änderung beschreibt, die Ableitung der Bestandsfunktion ist. Sie werden es nicht glauben: aus dieser simplen Idee kann man komplette Aufgaben erstellen.


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Analysis 3 | Tiefere Einblicke in die Funktionsanalyse: Funktionsanpassung, Beispiel 2 | A.31.02

Oft ist eine Funktion in Anhängigkeit von Parametern gegeben. Nun hat man die ein- oder andere Bedingung gegeben mit deren Hilfe man die Parameter bestimmen kann. Das Ganze nennt man Funktionsanpassung. Vermutlich kann man es auch “s4yx/nhyc” nennen. Typisches Beispiel sind Brücken, die eine bestimmte Höhe und/oder Breite haben oder zwei Straßen die durch ein Verbindungsstück glatt verbunden werden sollen.


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Analysis 3 | Tiefere Einblicke in die Funktionsanalyse: Taylorpolynom; Taylorreihe; Taylorentwicklung | A.32.01

Die Taylorentwicklung macht aus einer komplizierten und hässlichen Funktion ein “einfaches” Polynom, das Taylorpolynom, die Taylorreihe oder einfach nur Näherungspolynom. Natürlich hat das Ganze einen Haken. Um eine e-Funktion oder eine Sinus-Funktion oder etc.. in ein “einfaches” Polynom umzuwandeln, müsste dieses Polynom unendlich lang sein. Das will natürlich niemand, man verwendet von dieser Taylorreihe immer nur die ersten 2,3,4,5... Terme. Insofern hat man mit dem erhaltenen Polynom immer nur eine “Annäherung” an die ursprüngliche, hässliche Funktion, was aber meistens ausreicht. Auf diese Art kann man nach Taylor auch die Reihenentwicklung der Exponential-, der Sinus- oder Kosinusfunktion erhalten. Die Formel für die Taylorentwicklung ist zum Glück relativ einfach.


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Analysis 3 | Tiefere Einblicke in die Funktionsanalyse: Mit Newton-Verfahren Nullstellen bestimmen, Beispiel 3 | A.32.02

Es gibt in Mathe viele Gleichungen, die sich nicht lösen lassen. Das Newton-Verfahren (auch: Newton-Iteration) verwendet man, um Nullstellen einer Gleichung zumindest näherungsweise zu bestimmen. Für die Newtoniteration gibt es eine Formel. In diese Formel setzt man einen (beliebigen) x-Wert ein und erhält als Ergebnis ein besseren x-Wert, also einen x-Wert der näher an der tatsächlichen Nullstelle liegt. Dieses Ergebnis setzt man abermals in die Formel ein und erhält einen noch besseren x-Wert. Das Ganze kann man beliebig oft wiederholen und erhält x-Werte die immer näher bei der tatsächlichen Nullstelle liegen. So ein Verfahren nennt man Iteration. Zwar hat das Newtonverfahren auch ein paar Macken, im Großen und Ganzen ist es jedoch wahrscheinlich das beste und schnellste Verfahren, um Gleichungen zu lösen.


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Analysis 3 | Tiefere Einblicke in die Funktionsanalyse: Lineare Ungleichungen | A.26.01

Eine lineare Ungleichung ist eine Ungleichung, in der nur “x” vorkommt. Kein “x²” oder höhere Potenzen, keine Brüche, keine Wurzeln, aber natürlich “Kleinerzeichen” oder ein “Größerzeichen”. Es handelt sich um eine recht einfache Angelegenheit. Alles, was ein “x” hat, kommt auf die linke Seite, alles ohne “x” auf die rechte Seite. Teilt man durch etwas Negatives, dreht sich das Ungleichheitszeichen um.


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Analysis 3 | Tiefere Einblicke in die Funktionsanalyse: Lineare Ungleichungen, Beispiel 5 | A.26.01

Eine lineare Ungleichung ist eine Ungleichung, in der nur “x” vorkommt. Kein “x²” oder höhere Potenzen, keine Brüche, keine Wurzeln, aber natürlich “Kleinerzeichen” oder ein “Größerzeichen”. Es handelt sich um eine recht einfache Angelegenheit. Alles, was ein “x” hat, kommt auf die linke Seite, alles ohne “x” auf die rechte Seite. Teilt man durch etwas Negatives, dreht sich das Ungleichheitszeichen um.


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