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Mathematik Numerik – Numerische Integration

14 KartenMathematikatrio09.10.2026Nur mit Link

Karteikarten zum Thema „Mathematik“ · 14 Karten · von atrio. Beispiele: Was ist das Grundprinzip der numerischen Integration (Quadratur)? · Wie lautet die zu…

Karten

14 Karten
STANDARD

Was ist das Grundprinzip der numerischen Integration (Quadratur)?

Rückseite

Das Integral wird durch eine gewichtete Summe von Funktionswerten an Stützstellen approximiert: ∫f(x)dx ≈ Σ wᵢ f(xᵢ).

STANDARD

Wie lautet die zusammengesetzte Trapezregel für n Teilintervalle?

Rückseite

Tₙ = h/2 [f(a) + 2Σf(xᵢ) + f(b)] mit h = (b-a)/n und xᵢ = a + ih für i=1,...,n-1.

STANDARD

Welchen Konvergenzordnung hat die zusammengesetzte Trapezregel für hinreichend glatte Funktionen?

Rückseite

Die Trapezregel konvergiert mit Ordnung 2: Der Fehler verhält sich wie O(h²) beziehungsweise O(1/n²).

STANDARD

Wie wird die Simpson-Regel aus der quadratischen Interpolation hergeleitet?

Rückseite

Auf jedem Doppelintervall [x₂ᵢ, x₂ᵢ₊₂] wird f durch ein Parabelbogen interpoliert, was die Formel S = h/3 [f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + ... + fₙ] ergibt.

STANDARD

Warum erreicht die Simpson-Regel Ordnung 4 obwohl nur quadratische Interpolation verwendet wird?

Rückseite

Der Fehlerterm verschwindet für Polynome bis Grad 3 durch Symmetrie der Stützstellen – die Regel ist exakt für kubische Polynome.

STANDARD

Was charakterisiert Gauß-Quadraturformeln gegenüber Newton-Cotes-Formeln?

Rückseite

Gauß-Quadratur wählt Stützstellen und Gewichte optimal, sodass mit n Knoten Polynome bis Grad 2n-1 exakt integriert werden (maximaler Polynomgrad).

STANDARD

Welche Stützstellen und Gewichte verwendet die Gauß-Legendre-Quadratur mit 2 Knoten auf [-1,1]?

Rückseite

Stützstellen: ±1/√3, Gewichte: beide 1. Die Formel lautet: f(-1/√3) + f(1/√3).

STANDARD

Wie transformiert man ein Integral auf [a,b] auf das Referenzintervall [-1,1] für Gauß-Quadratur?

Rückseite

Substitution x = (b+a)/2 + (b-a)/2 · t, dann ∫ₐᵇ f(x)dx = (b-a)/2 ∫₋₁¹ f((b+a)/2 + (b-a)/2 t) dt.

STANDARD

Was ist der Hauptvorteil adaptiver Quadraturverfahren?

Rückseite

Sie verteilen Rechenaufwand automatisch: feine Unterteilung dort, wo f stark variiert, grobe dort, wo f glatt ist – effizienter bei Singularitäten oder steilen Bereichen.

STANDARD

Wie funktioniert die Romberg-Integration prinzipiell?

Rückseite

Richardson-Extrapolation auf der Trapezregel: T(h), T(h/2), T(h/4)... werden zu höheren Ordnungen extrapoliert (T₂,₁ → S, S₂,₁ → B, ...).

STANDARD

Was besagt der Fehlerterm der interpolatorischen Quadratur mit n Knoten?

Rückseite

Fehler = f⁽ⁿ⁾(ξ)/n! ∫ ω(x)dx mit ω(x) = Π(x-xᵢ). Für Gauß-Quadratur verschwindet ∫ω(x)dx für Polynome bis Grad n-1.

STANDARD

Wann ist die Mittelpunktsregel der Trapezregel überlegen?

Rückseite

Bei Funktionen mit starker Krümmung an den Randpunkten oder wenn Randwerte nicht verfügbar sind – gleicher Konvergenzordnung aber oft kleinerer Fehlerkonstante.

STANDARD

Was versteht man unter dem Grad der Genauigkeit (Degree of Precision) einer Quadraturformel?

Rückseite

Das größte Integer k, sodass die Formel alle Polynome bis Grad k exakt integriert. Gauß mit n Knoten hat Grad 2n-1.

STANDARD

Warum sind Newton-Cotes-Formeln hoher Ordnung (n > 8) in der Praxis problematisch?

Rückseite

Runge-Phänomen: Gleichverteilte Stützstellen führen zu stark oszillierenden Interpolationspolynomen und negativen Gewichten – numerische Instabilität.

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