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52
documents/Numerik/Klausur1/Aufgabe4.tex
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@ -10,48 +10,27 @@
\textbf{Lösung}:
Stützstellen:
Nutze Interpolationsformel von Lagrange:
\[(a, f(a)) \text{ und } (b, f(b))\]
\[p(x) = \sum_{i=0}^{1} f_i \cdot L_i(x)\]
$\Rightarrow$ Polynom 1. Grades interpoliert diese \\
$\Rightarrow$ Gerade $y = m \cdot x +t$ interpoliert
Berechne Lagrangepolynome:
\begin{align}
f(a) &= a \cdot m + t\\
f(b) &= b \cdot m + t\\
\Leftrightarrow
t &= f(a) - ma\\
t &= f(b) - mb\\
\Rightarrow
f(a) - ma &= f(b) - mb\\
\Leftrightarrow f(a) - f(b) &= ma - mb\\
\stackrel{a \neq b}{\Leftrightarrow} m &= \frac{f(a) - f(b)}{a - b}\\
\Rightarrow t &= f(a) - \frac{f(a) - f(b)}{a - b} \cdot a\\
\Leftrightarrow t &= \frac{f(a) \cdot a - f(a) \cdot b - f(a) \cdot a - f(b) \cdot a}{a-b}\\
\Leftrightarrow t &= \frac{- f(a) \cdot b - f(b) \cdot a}{a-b}\\
\Leftrightarrow t &= \frac{f(a) \cdot b + f(b) \cdot a}{b-a}
L_0(x) = \frac{x-b}{a-b} \\
L_1(x) = \frac{x-a}{b-a}
\end{align}
Das Interpolationspolynom $p(x)$ lautet also
So erhalten wir:
\[ p(x) = \frac{f(a) - f(b)}{a - b} \cdot x + \frac{f(a) \cdot b + f(b) \cdot a}{b-a}\]
\[p(x) = f(a) \frac{x-b}{a-b} + f(b) \frac{x-a}{b-a}\]
Für Polynome ersten Grades benötigt man eine Quadraturformel vom Grad 2 (also NICHT die Rechteckregel).
Nun integrieren wir das Interpolationspolynom:
\paragraph{Lösung 1: Mittelpunktsregel}
Die Mittelpunktsregel lautet
\[\int_a^b f(x) dx \approx (b-a) f(a + \frac{1}{2}(b-a))\]
Damit ergibt sich
\[I(f) \approx (b-a) \underbrace{(\frac{f(a) - f(b)}{a - b} \cdot (a + \frac{1}{2}(b-a)) + \frac{f(a) \cdot b + f(b) \cdot a}{b-a})}_{p(a + \frac{1}{2}(b-a))}\]
\paragraph{Lösung 2: Trapezregel}
Die Trapezregel lautet
\[\int_a^b f(x) dx \approx (b-a) \left (\frac{1}{2}f(a) + \frac{1}{2} f(b) \right )\]
TODO: Mache das, wer will.
\[ \int_a^b p(x)dx = \int_a^b f(a) \frac{x-b}{a-b}dx + \int_a^b f(b) \frac{x-a}{b-a}dx \]
\[ = \int_a^b \frac{f(a) \cdot x}{a-b}dx - \int_a^b \frac{f(a) \cdot b}{a-b}dx + \int_a^b \frac{f(b) \cdot x}{b-a}dx - \int_a^b \frac{f(b) \cdot a}{b-a}dx \]
\[ = \frac{1}{2} \cdot \frac{f(a) \cdot b^2}{a-b} - \frac{1}{2} \cdot \frac{f(a) \cdot a^2}{a-b} - \frac{f(a) \cdot b^2}{a-b} + \frac{f(a) \cdot b \cdot a}{a-b} + \frac{1}{2} \cdot \frac{f(b) \cdot b^2}{b-a} \]
\[ - \frac{1}{2} \cdot \frac{f(b) \cdot a^2}{b-a} - \frac{f(b) \cdot a \cdot b}{b-a} + \frac{f(b) \cdot a^2}{b-a}\]
\subsection*{Teilaufgabe b)}
Sei nun $f(x) = x^2$ und $a = 0$ sowie $b = 4$. Man soll die ermittelte
@ -60,10 +39,5 @@ Formel zwei mal auf äquidistanten Intervallen anwenden.
\textbf{Lösung:}
\begin{align}
\int_a^b f(x)\mathrm{d}x &=\int_a^{\frac{b-a}{2}} f(x) \mathrm{d}x + \int_{\frac{b-a}{2}}^b f(x) \mathrm{d}x\\
\int_0^4 x^2 \mathrm{d}x &=\int_0^2 x^2 \mathrm{d}x + \int_2^4 x^2 \mathrm{d}x\\
\int_0^2 x^2 \mathrm{d}x &\approx (2-0) (\frac{f(0) - f(2)}{0 - 2} \cdot (0 + \frac{1}{2}(2-0)) + \frac{f(0) \cdot 2 + f(2) \cdot 0}{2-0})\\
&= 2 \cdot \frac{-4}{-2} = 2\\
\int_2^4 x^2 \mathrm{d}x &\approx (4-2) (\frac{f(2) - f(4)}{2 - 4} \cdot (2 + \frac{1}{2}(4-2)) + \frac{f(2) \cdot 4 + f(4) \cdot 2}{4-2})\\
&= \text{TODO}
\int_0^4 p(x) dx = \int_0^2 p(x)dx + \int_2^4 p(x)dx = 24
\end{align}