Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaftler Band 1: Ein Lehr- und Arbeitsbuch für das Grundstudium PDF
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Lothar Papula Mathematik fur Ingenieure und Naturwissenschaftler Band 1 Lothar Papula Mathematik fijr Ingenieure und Naturwissenschaftler Band 1 Ein Lehr- und Arbeitsbuch furdasGrundstudium 11., verbesserte und erweiterte Auflage Mit 493 Abbildungen, zahlreichen Beispielen aus Naturwissenschaft und Technik sowie 307 Ubungsaufgaben mit ausfiJhrlichen Losungen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER Bibiiografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibiiografische Daten sind im Internet uber <http://dnb.d-nb.de> abrufbar. 1. Auflage 1983 2., durchgesehene Auflage 1984 3., durchgesehene Auflage 1986 4., durchgesehene und erweiterte Auflage 1988 5., verbesserte Auflage 1990 6., verbesserte Auflage 1991 7., uberarbeitete und erweiterte Auflage 1996 8,, verbesserte Auflage 1998 9., verbesserte Auflage 2000 10., erweiterte Auflage Oktober 2001 11., verbesserte und erweiterte Auflage 2007 unveranderter Nachdruck 2008 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg+Teubner Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2008 Lektorat: Ewald Schmitt Der Vieweg+Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschlieBlich aller seiner Telle ist urheberrechtlich geschutzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fur Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dijrften. Technische Redaktion: Hartmut Kuhn von Burgsdorff, Wiesbaden Umschlaggestaltung: KunkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Satz: Druckhaus Thomas Muntzer, Bad Langensalza Druck und buchbinderische Verarbeitung: Tesinska Tiskarna, a.s., Tschechien Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Czech Republic ISBN 978-3-8348-0224-8 V Vorwort Das dreibandige Werk Mathematik fiir Ingenieure und Naturwissenschaftler ist ein Lehr- und Arbeitsbuch fiir das Grund- und Hauptstudium der naturwissenschafdich-tech- nischen Disziplinen im Hochschulbereich. Es wird durch eine mathematische Formel- sammlung, einen Klausurentrainer und ein Buch mit Anwendungsbeispielen zu ei- nem kompakten Lehr- und Lernsystem erganzt. Die Bande 1 und 2 lassen sich dem Grundstudium zuordnen, wahrend der dritte Band spezielle Themen tiberwiegend aus dem Hauptstudium behandelt. Zur Stoffauswahl des ersten Bandes Die Erfahrungen der letzten Jahre zeigen, daB die Studienanfanger nach wie vor iiber sehr unterschiedliche und in der Regel nicht ausreichende mathematische Grundkennt- nisse verfiigen. Insbesondere in der Algebra bestehen groBe Defizite. Die Griinde hierfiir hegen u. a. in der Verlagemng der Schwerpunkte in der Schulmathematik und der Ab- wahl des Faches Mathematik als Leistungsfach in der gymnasialen Oberstufe. Ein naht- loser und erfolgreicher Ubergang von der Schule zur Hochschule ist daher ohne zusdtz- liche Hilfen kaum moghch. Dieser erste Band des Lehr- und Lemsystems leistet die dringend benotigte „Hilfestellung" durch Einbeziehung bestimmter Gebiete der Elemen- tarmathematik in das Grundstudium und schafft somit die Voraussetzung fiir eine tragfd- hige Verbindung („Briicke") zwischen Schule und Hochschule, ein Konzept, das sich bereits in der Vergangenheit bestens bewahrt hat und deshalb konsequent beibehalten wurde. Im vorliegenden ersten Band werden die folgenden Stoffgebiete behandelt: • AUgemeine Grundlagen (u. a. Gleichungen und Ungleichungen, lineare Gleichungs- systeme, binomischer Lehrsatz) • Vektoralgebra (zunachst in der anschaulichen Ebene und dann im Raum) • Funktionen und Kurven (als wichtigste Gmndlage fiir die Differential- und Integral- rechnung) • Differentialrechnung "^ (j^ii zahlreichen Anwendungen aus Naturwissenschaft • Integralrechnung / und Technik) • Potenzreihenentwicklungen (Mac Laurinsche und Taylorsche Reihen) Eine Ubersicht iiber die Inhalte der Bande 2 und 3 erfolgt im AnschluB an das Inhalts- verzeichnis. VI Vorwort Zur Darstellung des Stoffes Bei der Darstellung der mathematischen Stoffgebiete wurde von den folgenden tJberle- gungen ausgegangen: • Mathematische Methoden spielen zwar in den naturwissenschaftlich-technischen Dis- ziplinen eine bedeutende RoUe, bleiben jedoch in erster Linie ein (unverzichtbares) Hilfsmittel • Aufgrund der veranderten Eingangsvoraussetzungen und der damit verbundenen Defi^ zite soUte der Studienanfanger nicht iiberfordert werden. Es wurde daher eine anschauliche, anwendungsorientierte und leicht verstandliche Dar- stellungsform des mathematischen Stoffes gewahlt. Begriffe, Zusammenhange, Satze und Formeln werden durch zahlreiche Beispiele aus Naturwissenschaft und Technik und an- hand vieler Abbildungen naher erlautert. Einen wesentlichen Bestandteil dieses Werkes bilden die Ubungsaufgaben am Ende eines jeden Kapitels (nach Abschnitten geordnet). Sie dienen zum Einiiben und Vertiefen des Stoffes. Die im Anhang dargestellten (und zum Teil ausfiihrlich kommentierten) Losungen ermoglichen dem Leser eine standige SelbstkontroUe. Mit der Verbesserung von Bildem wurden die Beispiele noch verstandlicher und opti- miert. Dazu zahlen auch zusatzlich aufgenommene Beispiele im Kapitel Potenzreihenent- wicklung. Zur auBeren Form Zentrale Inhalte wie Defmitionen, Satze, Formeln, Tabellen, Zusammenfassungen und Beispiele sind besonders hervorgehober^: • Definitionen, Satze, Formeln, Tabellen und Zusammenfassungen sind gerahmt und grau unterlegt. • Anfang und Ende eines Beispiels sind durch das Symbol • gekennzeichnet. Bei der (bildlichen) Darstellung von Flachen und raumlichen Korpern wurden Grau- raster unterschiedlicher Helligkeit verwendet, um besonders anschauliche und aussage- kraftige Bilder zu erhalten. Zum Einsatz von Computeralgebra-Programmen In zunehmendem MaBe werden leistungsfahige Computeralgebra-Programme wie z. B. DERIVE, MATHCAD oder MATHEMATICA bei der mathematischen Losung naturwis- senschaftlich-technischer Probleme in Praxis und Wissenschaft erfolgreich eingesetzt. Solche Programme konnen bereits im Grundstudium ein niitzliches und sinnvoUes Hilfs- mittel sein und so z. B. als eine Art ,,Kontrollinstanz'' beim Losen von Ubungsaufgaben verwendet werden (Uberpriifung der von Hand ermittelten Losungen mit Hilfe eines Computeralgebra-Programms auf einem PC). Die meisten der in diesem Werk gestellten Aufgaben lassen sich auf diese Weise problemlos losen. Vorwort VII Mit der Verbesserung von Bildem wurden die Beispiele noch verstandlicher und opti- miert. Dazu zahlen auch zusatzlich aufgenommene Beispiele im Kapitel Potenzreihenent- wicklung. Eine Bitte des Autors Fiir Hinweise und Anregungen - insbesondere auch aus dem Kreis der Studenten - bin ich stets sehr dankbar. Sie sind eine unverzichtbare Voraussetzung und Hilfe fiir die per- manente Verbesserung dieses Lehrwerkes. Ein Wort des Dankes ... ... an alle FachkoUegen und Studenten, die durch Anregungen und Hinweise zur Ver- besserung dieses Werkes beigetragen haben, ... an die Mitarbeiter des Verlages, ganz besonders aber an Herm Ewald Schmitt, fur die hervorragende Zusammenarbeit wahrend der Entstehung und Drucklegung dieses Werkes. Wiesbaden, im Sommer 2007 Lothar Papula VIII Inhaltsverzeichnis I AUgemeine Grundlagen 1 1 Einige gmndlegende Begriffe iiber Mengen 1 1.1 Definition und Darstellung einer Menge 1 1.2 Mengenoperationen 3 2 Die Menge der reellen Zahlen 6 2.1 Darstellung der reellen Zahlen und ihrer Eigenschaften 6 2.2 Anordnung der Zahlen, Ungleichung, Betrag 7 2.3 Teilmengen und Intervalle 8 3 Gleichungen 9 3.1 Lineare Gleichungen 10 3.2 Quadratische Gleichungen 10 3.3 Gleichungen 3. und hoheren Grades 11 3.3.1 AUgemeine Vorbetrachtung 11 3.3.2 Kubische Gleichungen vom speziellen Typ ax^ -\- bx^ + ex = 0 .... 12 3.3.3 Bi-quadratische Gleichungen 12 3.4 Wurzelgleichungen 13 3.5 Betragsgleichungen 14 3.5.1 Definition der Betragsfunktion 15 3.5.2 Analytische Losung einer Betragsgleichung durch Fallunterscheidung (Beispiel) 17 3.5.3 Losung einer Betragsgleichung auf halb-graphischem Wege (Beispiel) 18 4 Ungleichungen 18 5 Lineare Gleichungssysteme 21 5.1 Ein einfiihrendes Beispiel 21 5.2 Der GauBsche Algorithmus 24 5.3 Ein Anwendungsbeispiel: Berechnung eines elektrischen Netzwerkes .... 33 6 Der Binomische Lehrsatz 35 Inhaltsverzeichnis IX Ubungsaufgaben 39 Zu Abschnitt 1 und 2 39 Zu Abschnitt 3 39 Zu Abschnitt 4 40 Zu Abschnitt 5 41 Zu Abschnitt 6 42 II Vektoralgebra 43 1 Gmndbegriffe 43 1.1 Definition eines Vektors 43 1.2 Gleichheit von Vektoren 44 1.3 Parahele, anti-parallele und koUineare Vektoren 45 1.4 Vektoroperationen 46 1.4.1 Addition von Vektoren 46 1.4.2 Subtraktion von Vektoren 49 1.4.3 Muhiphkation eines Vektors mit einem Skalar 50 2 Vektorrechnung in der Ebene 52 2.1 Komponentendarstellung eines Vektors 52 2.2 Darstellung der Vektoroperationen 56 2.2.1 Muhiphkation eines Vektors mit einem Skalar 56 2.2.2 Addition und Subtraktion von Vektoren 57 2.3 Skalarprodukt zweier Vektoren 59 2.3.1 Definition und Berechnung eines Skalarproduktes 59 2.3.2 Winkel zwischen zwei Vektoren 62 2.4 Anwendungsbeispiel: Resuhierende eines ebenen Kraftesystems 65 3 Vektorrechnung im 3-dimensionalen Raum 67 3.1 Komponentendarstehung eines Vektors 68 3.2 DarsteUung der Vektoroperationen 72 3.2.1 Muhiphkation eines Vektors mit einem Skalar 72 3.2.2 Addition und Subtraktion von Vektoren 73 3.3 Skalarprodukt zweier Vektoren 76 3.3.1 Definition und Berechnung eines Skalarproduktes 76 3.3.2 Winkel zwischen zwei Vektoren 79 3.3.3 Richtungswinkel eines Vektors 80 3.3.4 Projektion eines Vektors auf einen zweiten Vektor 82 3.3.5 Ein Anwendungsbeispiel: Arbeit einer Kraft 84 3.4 Vektorprodukt zweier Vektoren 86 3.4.1 Definition und Berechnung eines Vektorproduktes 86 3.4.2 Anwendungsbeispiele 92 X Inhaltsverzeichnis 3.4.2.1 Drehmoment (Moment einer Kraft) 92 3.4.2.2 Bewegung von Ladungstragern in einem Magnetfeld (Lorentz-Kraft) 93 3.5 Spatprodukt (gemischtes Produkt) 94 4 Anwendungen in der Geometric 98 4.1 Vektorielle Darstellung einer Geraden 98 4.1.1 Punkt-Richtungs-Form einer Geraden 98 4.1.2 Zwei-Punkte-Form einer Geraden 100 4.1.3 Abstand eines Punktes von einer Geraden 101 4.1.4 Abstand zweier paralleler Geraden 103 4.1.5 Abstand zweier windschiefer Geraden 105 4.1.6 Schnittpunkt und Schnittwinkei zweier Geraden 107 4.2 Vektorielle Darstellung einer Ebene 109 4.2.1 Punkt-Richtungs-Form einer Ebene 109 4.2.2 Drei-Punkte-Form einer Ebene 112 4.2.3 Gleichung einer Ebene senkrecht zu einem Vektor 114 4.2.4 Abstand eines Punktes von einer Ebene 115 4.2.5 Abstand einer Geraden von einer Ebene 117 4.2.6 Schnittpunkt und Schnittwinkei einer Geraden mit einer Ebene.... 119 4.2.7 Abstand zweier paralleler Ebenen 122 4.2.8 Schnittgerade und Schnittwinkei zweier Ebenen 124 Ubungsaufgaben 128 Zu Abschnitt 2 und 3 128 Zu Abschnitt 4 132 III Funktionen und Kurven 137 1 Definition und Darstellung einer Funktion 137 1.1 Definition einer Funktion 137 1.2 Darstellungsformen einer Funktion 138 1.2.1 Analytische Darstellung 138 1.2.2 Darstellung durch eine Wertetabelle (Funktionstafel) 138 1.2.3 Graphische Darstellung 138 1.2.4 Parameterdarstellung einer Funktion 140 2 AUgemeine Funktionseigenschaften 141 2.1 NuUstellen 141 2.2 Symmetrieverhalten 142 2.3 Monotonie 144 2.4 Periodizitat 147 2.5 Umkehrfunktion oder inverse Funktion 148
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