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Mathematik für Ingenieure

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Academic year: 2022

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Mathematik für Ingenieure

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Klaus Dürrschnabel

Mathematik für Ingenieure

Eine Einführung mit Anwendungs- und Alltagsbeispielen

3. Auflage

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Klaus Dürrschnabel

Informationsmanagement und Medien Karlsruhe University of Applied Sciences Karlsruhe, Deutschland

Ergänzendes Material zu diesem Buch finden Sie auf Springer Link.

ISBN 978-3-658-32230-4 ISBN 978-3-658-32231-1 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-658-32231-1

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte biblio- grafische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Springer Vieweg

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Planung/Lektorat: Annika Denkert

Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist ein Teil von Springer Nature.

Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany Einbandabbildung: Klaus Dürrschnabel

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Vorwort zur 3. Auflage

Was ist neu in dieser Auflage?

Vor Ihnen liegt nunmehr die dritte Auflage meines Buchs

”Mathematik f¨ur Ingenieure“. Dank der erweiterten technischen M¨oglichkeiten erscheint diese Neuauflage in einem ansprechenden Layout im Vierfarbendruck, was viele neue M¨oglichkeiten zum effektiven Arbeiten mit diesem Buch und zur Visualisierung von mathematischen Sachverhalten mit sich bringt. Die Marginalienspalte erlaubt einen schnellen und zielgerichteten Zugriff auf Begriffe und Themen.

Warum dieses Buch?

Viele Studienanf¨anger haben Probleme mit Mathematik. Die abstrakten Inhalte fallen den Studie- renden zunehmend schwer. Hinzu kommt, dass angehende Ingenieure keine Studierende des Studi- enfachs Mathematik sind, sondern die unbestritten notwendige Mathematik als Servicewissenschaft einsetzen. Aus dieser Tatsache resultiert ein gewisses Motivationsproblem f¨ur dieses Fach, welches es zus¨atzlich zu ¨uberwinden gilt.

Eine weitere Schwierigkeit bilden die zunehmend heterogenen Vorkenntnisse der Studienanf¨angerin- nen und -anf¨anger. Der Mathematikunterricht in der Schule hat sich auch infolge der internationalen Studien grundlegend gewandelt. Aufgrund der ver¨anderten Unterrichtsmethoden mit Projekten und selbstentdeckendem Lernen sowie der Verk ¨urzung der Gymnasialzeit wurden die Bildungspl¨ane in- haltlich ausged ¨unnt. Themen wie Logarithmusfunktion, Kreis- und Kugelgleichung, Quotientenregel der Differenzialrechnung oder Matrizenrechnung d ¨urfen an der Hochschule nicht mehr als selbst- verst¨andlich bekannt vorausgesetzt werden.

Welches Konzept steckt hinter diesem Buch?

Dieses Buch m ¨ochte den Studienanf¨angerinnen und -anf¨angern eine Hilfe beim Einstieg in die sog.

”H¨ohere Mathematik“ bieten. Dabei orientiert sich das Vorgehen an folgender Strategie: Zun¨achst wird in Anwendungsbeispielen formuliert, wozu die neu einzuf¨uhrende Theorie ¨uberhaupt gewinn- bringend eingesetzt werden kann. Es werden Fragen aus Technik und Alltag gestellt, die es zu be- antworten gilt. In einem zweiten Schritt wird die grundlegende Idee der Theorie entwickelt, um erst anschließend die abstrakten mathematischen Definitionen und S¨atze zu formulieren. Schließlich wer- den Beispiele gerechnet und insbesondere die anfangs aufgeworfenen Fragestellungen mithilfe der entwickelten Mathematik gel¨ost. Gegebenenfalls wird die Theorie noch weiter gef¨uhrt und f¨ur spezi- elle, beispielhafte Anwendungen konkretisiert.

Die vielf¨altigen Anwendungsbeispiele kommen gew¨ohnlich nicht aus einem speziellen Ingenieurbe- reich. Vielmehr werden sie ¨uberwiegend aus dem Alltag und dem physikalischen Umfeld gew¨ahlt.

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Zum einen kann man davon ausgehen, dass diese Beispiele f¨ur die Studierenden jeder Ingenieur- richtung verst¨andlich und von Interesse sind, zum anderen sind sie sehr anschaulich und belegen, wie unser Alltag mit Mathematik durchzogen ist. So ist es sicher f¨ur viele ¨uberraschend, dass das Ph¨anomen des Regenbogens mit der Differenzialrechnung erkl¨art werden kann (Abschnitt 12.3) oder dass man mithilfe von Potenzreihen im freien Feld große Kreise in einer einfachen Weise ohne Zir- kel bestimmen kann (Abschnitt 18.4). Sehr wohl orientieren sich aber die mathematischen Inhalte an den erforderlichen mathematischen Kenntnissen, welche f¨ur das erfolgreiche Absolvieren eines Ingenieurstudiums ben ¨otigt werden.

Das mathematische Kalk ¨ul ist in diesem Buch bewusst knapp gehalten, es wird weitgehend auf den mathematischen Formalismus verzichtet. Die Mathematiker m ¨ogen mir verzeihen, dass in mathema- tischen S¨atzen die ben ¨otigten Voraussetzungen nicht alle exakt formuliert, sondern die Inhalte auf die zentralen Aussagen reduziert sind. In Anbetracht der Zielgruppe erscheint mir dieses Vorgehen legi- tim. Es werden dar¨uber hinaus nur die unbedingt notwendigen und in den Ingenieurwissenschaften allgemein verwendeten mathematischen Zeichen und Symbole eingef¨uhrt. Wo immer m ¨oglich, habe ich stattdessen eine Beschreibung mittels Alltagssprache gew¨ahlt.

Digitale Hilfsmittel halten vermehrt Einzug in den Schul- und Hochschulbereich. Den neuen M¨oglichkeiten dieser Programmsysteme wird in diesem Buch Rechnung getragen, indem Beispie- le und Aufgaben auch mit Computeralgebrasystemen gel¨ost und mathematische Sachverhalte damit visualisiert werden. Gerade der Einsatz von derartigen Systemen erlaubt es auch, gewisse rechenin- tensive Inhalte und Themen abzuk ¨urzen. So wurde z. B. das Thema Differenzialgleichungen auf das unbedingt erforderliche Maß beschr¨ankt.

Die einzelnen Abschnitte werden durch Aufgaben unterschiedlicher Schwierigkeit abgerundet, deren L¨osungen als PDFs im Anhang der Kapitel auf Springer Link (link.springer.com) zu finden sind. Auf diese L¨osungen haben auch Leserinnen und Leser des gedruckten Buches Zugriff. Auf vielfachen Wunsch wurden zudem ausf¨uhrliche L¨osungen erstellt, welche als Zusatzmaterial vom Autor bereit- gestellt werden, Sie finden den entsprechenden Link auf der Produktseite zum Buch auf der Website des Verlags.

Danke!

Zum Schluss m ¨ochte ich mich bei verschiedenen Personen bedanken, die mich w¨ahrend der Erstel- lung dieses Buches unterst¨utzt haben. Hier sind zuerst die Studierenden sowie die Leserinnen und Leser zu nennen, die dieses Buch dankbar angenommen und mich auf einige Unzul¨anglichkeiten in den ersten beiden Auflagen hingewiesen haben. Explizit m ¨ochte ich Jean-Marie Wittwer erw¨ahnen, der mir etliche Hinweise gegeben hat und mit dem ich in einem anregenden Austausch stehe. Ein herzliches Dankesch ¨on geht auch an Fabian G¨artner, der etliche Fotos zu diesem Buch beigesteuert hat. Die Zusammenarbeit mit dem Verlag verlief reibungslos, Annika Denkert und Anja Groth hatten immer ein offenes Ohr f¨ur meine Probleme. Nicht zuletzt m ¨ochte ich mich bei meiner Frau Simone und meinen Kindern bedanken, die w¨ahrend der Erstellung des Buches und der ¨Uberarbeitung zu Neuauflagen etliche Entbehrungen in Kauf nehmen mussten.

Karlsruhe, im November 2020 Klaus D¨urrschnabel

Vorwort

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Inhaltsverzeichnis

1 Zahlenbereiche 1

1.1 Mengen . . . 2

1.2 Nat¨urliche, ganze und rationale Zahlen . . . 4

1.3 Reelle Zahlen . . . 5

1.4 Komplexe Zahlen . . . 10

Aufgaben . . . 23

2 Funktionen 27 2.1 Funktionen als Modelle der Wirklichkeit . . . 28

2.2 Der Funktionsbegriff . . . 31

2.3 Eigenschaften von Funktionen . . . 35

Aufgaben . . . 49

3 Elementare Funktionen 53 3.1 Signum- und Betragsfunktion . . . 54

3.2 Ganze rationale Funktionen . . . 56

3.3 Gebrochene rationale Funktionen . . . 73

3.4 Allgemeine Potenz- und algebraische Funktionen . . . 75

3.5 Trigonometrische Funktionen . . . 78

3.6 Exponentialfunktion und Logarithmus . . . 91

Aufgaben . . . 108

vii

(7)

viii

4 Lineare Gleichungssysteme 117

4.1 Problemstellung . . . 118

4.2 Das Gauß’sche Eliminationsverfahren . . . 121

Aufgaben . . . 135

5 Vektorrechnung 139 5.1 Vektorielle Gr¨oßen in Alltag und Technik . . . 140

5.2 Vektoren im Anschauungsraum . . . 142

5.3 Allgemeine Vektorr¨aume . . . 152

5.4 Lineare Abh¨angigkeit und Unabh¨angigkeit . . . 157

5.5 Basis und Dimension . . . 163

Aufgaben . . . 167

6 Produkte von Vektoren 173 6.1 Das Skalarprodukt . . . 174

6.2 Das Vektorprodukt . . . 180

6.3 Das Spatprodukt . . . 189

Aufgaben . . . 194

7 Analytische Geometrie 197 7.1 Probleme im Raum . . . 198

7.2 Parameterdarstellung von Geraden . . . 201

7.3 Parameterdarstellung von Ebenen . . . 204

7.4 Hyperebenen in Gleichungsform . . . 209

7.5 Schnittprobleme . . . 213

7.6 Abstandsberechnungen . . . 221

7.7 Winkelberechnungen . . . 229

7.8 Kreis und Kugel . . . 234

Aufgaben . . . 241 Inhaltsverzeichnis

(8)

ix

8 Matrizen 249

8.1 Transformationen in der Ebene und im Raum . . . 250

8.2 Matrizenaddition und Matrizenmultiplikation . . . 252

8.3 Invertieren von Matrizen . . . 263

8.4 Koordinatentransformation . . . 268

8.5 Abbildungen . . . 272

8.6 Determinanten . . . 283

Aufgaben . . . 293

9 Eigenwerte 299 9.1 Problemstellungen in der Anwendung . . . 300

9.2 Eigenwerte und Eigenvektoren . . . 306

Aufgaben . . . 313

10 Grenzwerte 315 10.1 Folgen . . . 316

10.2 Der Grenzwertbegriff bei Folgen . . . 319

10.3 Die Euler’sche Zahle . . . 326

10.4 Der Grenzwertbegriff bei Funktionen . . . 331

10.5 Stetigkeit . . . 339

Aufgaben . . . 344

11 Differenzialrechnung 349 11.1 Der Ableitungsbegriff . . . 350

11.2 Ableitungsregeln . . . 360

11.3 Mittelwertsatz und stetige Differenzierbarkeit . . . 387

Aufgaben . . . 390 Inhaltsverzeichnis

(9)

x

12 Anwendungen der Differenzialrechnung 395

12.1 Monotonieuntersuchungen . . . 396

12.2 Extremwertprobleme . . . 398

12.3 Der Regenbogen . . . 409

12.4 Wendepunkte und Kurvendiskussion . . . 415

12.5 Regel von Bernoulli-de l’Hospital . . . 421

12.6 Das Newton-Verfahren . . . 427

Aufgaben . . . 432

13 Unbestimmtes Integral 437 13.1 Stammfunktionen und unbestimmtes Integral . . . 438

13.2 Integrationsmethoden . . . 442

Aufgaben . . . 457

14 Bestimmtes Integral 459 14.1 Fl¨acheninhaltsproblem und bestimmtes Integrals . . . 460

14.2 Hauptsatz der Differenzial- und Integralrechnung . . . 466

14.3 Uneigentliche Integrale . . . 476

Aufgaben . . . 481

15 Numerische Integration 483 15.1 Problemstellung . . . 484

15.2 Trapezregel . . . 486

15.3 Kepler-Fassregel und Simpson-Regel . . . 490

Aufgaben . . . 495 Inhaltsverzeichnis

(10)

xi

16 Anwendungen der Integralrechnung 497

16.1 Fl¨achenberechnungen . . . 498

16.2 Volumina von Rotationsk ¨orpern . . . 503

16.3 Physikalische Anwendungen . . . 507

16.4 Wahrscheinlichkeitsrechnung . . . 514

Aufgaben . . . 518

17 Reihen 521 17.1 Der Reihenbegriff . . . 522

17.2 Konvergenzkriterien . . . 529

Aufgaben . . . 541

18 Potenzreihen 543 18.1 Der Begriff der Potenzreihe . . . 544

18.2 Potenzreihen und Funktionen – Satz von Taylor . . . 551

18.3 Wichtige Potenzreihenentwicklungen . . . 556

18.4 Anwendungen . . . 568

Aufgaben . . . 579

19 Fourier-Reihen und Fourier-Transformation 583 19.1 Trigonometrische Reihen . . . 584

19.2 Fourier-Reihen . . . 587

19.3 Komplexe Schreibweise der Fourier-Reihen . . . 598

19.4 Fourier-Transformation . . . 606

Aufgaben . . . 613 Inhaltsverzeichnis

(11)

xii

20 Differenzialrechnung von Funktionen mehrerer Ver¨anderlicher 617

20.1 Funktionen mehrerer Ver¨anderlicher . . . 618

20.2 Der Stetigkeitsbegriff . . . 622

20.3 Partielle Ableitungen . . . 624

20.4 Totales Differenzial . . . 630

20.5 Richtungsableitung . . . 642

20.6 Partielle Ableitungen h ¨oherer Ordnung . . . 647

20.7 Divergenz und Rotation . . . 650

Aufgaben . . . 655

21 Extrema bei Funktionen mehrerer Ver¨anderlicher 663 21.1 Extrema ohne Nebenbedingungen . . . 664

21.2 Anwendung: Lineare Regression . . . 674

21.3 Extrema mit Nebenbedingungen . . . 678

Aufgaben . . . 690

22 Bereichsintegrale 695 22.1 Bereichsintegrale . . . 696

22.2 Bereichsintegrale ¨uber Normalbereichen . . . 699

22.3 Polar-, Zylinder und Kugelkoordinaten . . . 706

Aufgaben . . . 715

23 Allgemeine Kurven 717 23.1 Der Kurvenbegriff . . . 718

23.2 Tangentenvektor und Tangente . . . 723

23.3 Bogenl¨ange und Bogenl¨angenparametrisierung . . . 728

23.4 Die Kr¨ummung . . . 738

23.5 Das allgemeine Kurvenintegral . . . 747

Aufgaben . . . 751 Inhaltsverzeichnis

(12)

xiii

24 Gew¨ohnliche Differenzialgleichungen 757

24.1 Der Begriff der Differenzialgleichung . . . 758

24.2 Explizite Differenzialgleichung erster Ordnung . . . 761

24.3 Schwingungsdifferenzialgleichung . . . 780

Aufgaben . . . 789

Sachverzeichnis 791

Inhaltsverzeichnis

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