Kochrezepte erstellt (erstmal) anhand der Klausuraufgaben. (Bis Aufgabe 3) **ACHTUNG: Die Vorgehensweise einiger dieser Kochrezepte entsprechen nur einem Pfad. Es ist durchaus möglich, dass eigentlich zur bearbeitung der Aufgaben eine Baumstruktur vorliegt. :(** ## Bestimmung des Taylorpolynoms ### Polynom einer Mehrparameterfunktion Kochrezept für das Aufstellen eines Taylor-Polynoms 2.Grades einer Multiparameterfunktion mit 2 Parametern. 1. $f(x_0,y_0)$ bestimmen 2. 1. Ableitungmenge der Funktion $f(x,y)$ bestimmen 3. Nabla-Operator anhand $f'(x_0,y_0)$ bestimmen 4. 2. Ableitungsmenge der Funktion $f(x,y)$ bestimmen 5. Hesse-Form ($\underline{\underline{H}}_f$) anhand der Ableitungsmengen und $x_0, y_0$ bestimmen 6. Eintragen in den Taylor-Polynom $$T_{n,(x_0,y_0)}(x,y) = f(x_0,y_0)+\nabla^T \left(\begin{array}{r} x-x_0\\ y-y_0 \end{array}\right)+\frac{1}{2!} \left(\begin{array}{r} x-x_0\\ y-y_0 \end{array}\right)^T \underline{\underline{H}}_f \left(\begin{array}{r} x-x_0\\ y-y_0 \end{array}\right)^T$$ ## Ermittlung der Lage und Art relativer Extremwerte von Funktionen 1. Notwendige Bedingung 1. 1. Ableitungsmenge bilden 2. $\nabla \neq \begin{pmatrix}0\\0\end{pmatrix}$ 3. Nullsetzen der 1. Ableitungen und die Lösungsmengen von $x, y$ bestimmen 4. mögliche Extremastellen anhand der Kombinationen von $x$ und $y$ ermitteln 2. Hinreichende Bedingung 1. Aufstellen der Hesse-Form 2. Einsetzen der möglichen Extremastellen und anhand $h_{f11}$ und der Determinanten die Definitheit bestimmen 1. $h_{f11} > 0, \text{det}\ \underline{\underline{H}}_f > 0$ pos. definit rel. Minimum 2. $h_{f11} > 0, \text{det}\ \underline{\underline{H}}_f < 0$ indefinit, Sattelpunkt 3. $h_{f11} < 0, \text{det}\ \underline{\underline{H}}_f < 0$ indefinit, Sattelpunkt 4. $h_{f11} < 0, \text{det}\ \underline{\underline{H}}_f > 0$ neg. definit, rel. Maximum ## Gleichungslösung ### Fixpunktinteration 1. Funktion nach $x$ Lösen => $g(x)$ 2. 1. Ableitung bilden und Steigung auswerten 3. Grenzwertbetrachtung 4. $|g'(x)|=L$ 5. Aufstellen der Iterationsvorschrift 6. Ermitteln der Iterationsfolge 7. Fehlerabschätzung $$|x_n-\tilde{x}| = \frac{L}{1-L}|x_n-x_{n-1}|$$ ## Integrationsregeln ### Potenzregel $$\int x^ndx = \frac{1}{n+1}x^{n+1}$$ ### Faktorregel $$\int c \cdot f(x)dx = c \cdot \int f(x)dx$$ ### Summenregel $$\int (f(x)+g(x))dx = \int f(x)dx + \int g(x)dx$$ ### Partielle Integration $$\int f'(x)g(x)dx = f(x)g(x)-\int f(x)g'(x)$$ ### Integration durch Substitution $$\int f(x)dx = \int f(\varphi(u)\cdot \varphi'(u)du$$ ## Fourrier-Reihen $$s_n(x) = \frac{a_0}{2}+\sum_{k=1}^{\infty}(a_k\cdot \cos(k\omega x) + b_k\cdot \sin(k\omega x))$$ $$a_0 = \frac{2}{T}\int f(x)dx$$ $$a_k = \frac{2}{T}\int f(x)\cdot \sin(k\omega x)dx$$ $$b_k = \frac{2}{T}\int f(x)\cdot \sin(k\omega x)dx$$ - Bestimmen, ob die Funktion gerade oder ungerade ist - Wenn Fkt. gerade, dann ist $b_k = 0$ - Wenn Fkt. ungerade, dann ist $a_k = 0$ - Wenn beides nicht zutrifft müssen $a_k$ und $b_k$ bestimmt werden - Bestimmung von $\omega, a_0$ - Bestimmung von $a_k$ und/oder $b_k$ - In die Formel einsetzen ## Kleinste Quadrate Methode Benötigte Formeln: $$ \begin{align} \underline{\underline{G}}^T\underline{\underline{G}}\underline a = \underline{\underline{G}}^T\underline y && F = (\underline{y}- \underline{\underline{G}}\underline{a})^T(\underline{y}- \underline{\underline{G}}\underline{a}) \\ \underline{\underline{G}}\underline{a} = \underline{y} && \underline{a} = \underline{(\underline{G}}^T\underline{\underline{G}})^{-1}\underline{\underline{G}}^T\underline{y} \end{align} $$ - Überprüfung auf lineare Gleichung $\nabla_{\underline{a}}F(\underline{a}) = \underline{0}$ - Aufstellen von $\underline{\underline{G}}$ bspl. $\begin{pmatrix}1 &x_0\\1&x_1\end{pmatrix}$ - Quadrieren und Umkehren von $\underline{\underline{G}}$ - Gleichung nach $\underline{a}$ lösen und in Geradengleichung $a_0+a_1x$ einsetzen ## Matrizenoperationen ### Inverse Matrix $$A^{⁻1} = \begin{pmatrix} a & b\\ c & d \end{pmatrix}^{-1} = \frac{1}{\text{det}\ A}\cdot \begin{pmatrix} d & -b\\ -c & a \end{pmatrix} $$