Formeln & Gleichungssammlungen
Sofortige Referenz für Mathematik, Physik und Chemie mit LaTeX-Code und SI-Einheiten.
Trigonometrie-Formelsammlung
Pythagoreische Identitäten, Additionstheoreme, Doppelwinkel, Eulersche Formel, Sinus- und Kosinussatz.
Wertetabelle für Winkel am Einheitskreis
Exakte trigonometrische Verhältnisse für Standardwinkel in Grad und Radiant
| Grad (x) | Radiant (rad) | sin(x) | cos(x) | tan(x) | csc(x) | sec(x) | cot(x) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0° | 0 | 0 | 1 | 0 | nicht definiert | 1 | nicht definiert |
| 30° | π/6 | 1/2 | √3/2 | √3/3 | 2 | 2√3/3 | √3 |
| 45° | π/4 | √2/2 | √2/2 | 1 | √2 | √2 | 1 |
| 60° | π/3 | √3/2 | 1/2 | √3 | 2√3/3 | 2 | √3/3 |
| 90° | π/2 | 1 | 0 | nicht definiert | 1 | nicht definiert | 0 |
| 120° | 2π/3 | √3/2 | -1/2 | -√3 | 2√3/3 | -2 | -√3/3 |
| 135° | 3π/4 | √2/2 | -√2/2 | -1 | √2 | -√2 | -1 |
| 150° | 5π/6 | 1/2 | -√3/2 | -√3/3 | 2 | -2√3/3 | -√3 |
| 180° | π | 0 | -1 | 0 | nicht definiert | -1 | nicht definiert |
| 270° | 3π/2 | -1 | 0 | nicht definiert | -1 | nicht definiert | 0 |
| 360° | 2π | 0 | 1 | 0 | nicht definiert | 1 | nicht definiert |
🔄 Reziproke und Quotientenidentitäten
8 Formeln Grundlegende Beziehungen zwischen primären und reziproken trigonometrischen Verhältnissen
Reziproke und Quotientenidentitäten
8 FormelnGrundlegende Beziehungen zwischen primären und reziproken trigonometrischen Verhältnissen
Sinus-Reziprokwert
sin(x) = 1csc(x) csc(x) ≠ 0; x ≠ nπ
Kosekans-Reziprokwert
csc(x) = 1sin(x) sin(x) ≠ 0; x ≠ nπ
Kosinus-Reziprokwert
cos(x) = 1sec(x) sec(x) ≠ 0; x ≠ (2n+1)π/2
Sekantenreziprok
sec(x) = 1cos(x) cos(x) ≠ 0; x ≠ (2n+1)π/2
Tangentialer Kehrwert
tan(x) = 1cot(x) cot(x) ≠ 0; x ≠ nπ/2
Kotangens-Kehrwert
cot(x) = 1tan(x) tan(x) ≠ 0; x ≠ nπ/2
Tangensquotient
tan(x) = sin(x)cos(x) Verhältnis von Gegenstück zu Nachbarstück in einem rechtwinkligen Dreieck
Kotangensquotient
cot(x) = cos(x)sin(x) Verhältnis von Nachbar zu Gegenstück in einem rechtwinkligen Dreieck
🪞 Formeln für entgegengesetzte Winkel (gerade und ungerade Funktionen)
6 Formeln Symmetrieverhalten trigonometrischer Funktionen unter Winkelnegation
Formeln für entgegengesetzte Winkel (gerade und ungerade Funktionen)
6 FormelnSymmetrieverhalten trigonometrischer Funktionen unter Winkelnegation
Sinus negativer Winkel (ungerade Funktion)
sin(-x) = -sin(x) Symmetrisch zum Ursprung
Kosinus negativer Winkel (gerade Funktion)
cos(-x) = cos(x) Symmetrisch bezüglich der y-Achse
Tangentialer negativer Winkel (ungerade Funktion)
tan(-x) = -tan(x) Seltsame Symmetrie um den Ursprung
Kotangens negativer Winkel (ungerade Funktion)
cot(-x) = -cot(x) Seltsame Symmetrie um den Ursprung
Sekante negativer Winkel (gerade Funktion)
sec(-x) = sec(x) Erbt gerade Symmetrie vom Kosinus
Kosekant negativer Winkel (ungerade Funktion)
csc(-x) = -csc(x) Erbt ungerade Symmetrie vom Sinus
📐 Kofunktionsformeln (Komplementärwinkel)
6 Formeln Identitäten, die trigonometrische Funktionen komplementärer Winkel verbinden (π/2 - x oder 90° - x)
Kofunktionsformeln (Komplementärwinkel)
6 FormelnIdentitäten, die trigonometrische Funktionen komplementärer Winkel verbinden (π/2 - x oder 90° - x)
Sinuskofunktion
sin(π2- x) = cos(x) Auch: sin(90° - x) = cos(x)
Kosinuskofunktion
cos(π2- x) = sin(x) Auch: cos(90° - x) = sin(x)
Tangente Kofunktion
tan(π2- x) = cot(x) Auch: tan(90° - x) = cot(x)
Kotangenskofunktion
cot(π2- x) = tan(x) Auch: cot(90° - x) = tan(x)
Sekantenkofunktion
sec(π2- x) = csc(x) Auch: sec(90° - x) = csc(x)
Kosekantenkofunktion
csc(π2- x) = sec(x) Auch: csc(90° - x) = sec(x)
🔺 Pythagoreische Identitäten und algebraische Formen
9 Formeln Direkt abgeleitet vom Einheitskreis (x² + y² = 1) und der Trigonometrie des rechtwinkligen Dreiecks
Pythagoreische Identitäten und algebraische Formen
9 FormelnDirekt abgeleitet vom Einheitskreis (x² + y² = 1) und der Trigonometrie des rechtwinkligen Dreiecks
Primäre pythagoreische Identität
sin²(x) + cos²(x) = 1 Für alle reellen Winkel x gültige Fundamentalidentität
Sinus im Sinne von Cosinus
sin(x) = ±√1 - cos²(x) Das Vorzeichen wird basierend auf dem Quadranten von x ausgewählt
Kosinus im Verhältnis zum Sinus
cos(x) = ±√1 - sin²(x) Das Vorzeichen wird basierend auf dem Quadranten von x ausgewählt
Tangenten-Sekanten-Pythagoras-Identität
1 + tan²(x) = sec²(x) Erhalten durch Division von sin²(x) + cos²(x) = 1 durch cos²(x)
Form der Sekanten-Tangens-Differenz
sec²(x) - tan²(x) = 1 Gültig, wenn cos(x) ≠ 0
Kotangens-Kosektans-Pythagoräische Identität
1 + cot²(x) = csc²(x) Erhalten durch Division von sin²(x) + cos²(x) = 1 durch sin²(x)
Kosekans-Kotangens-Differenzform
csc²(x) - cot²(x) = 1 Gültig, wenn sin(x) ≠ 0
Radikale Normalisierung des Einheitskreises
√sin²(x) + cos²(x) = 1 Geometrische Hypotenusenlänge auf dem Einheitskreis
Produkteinheitsidentitäten
sin(x)·csc(x) = 1, cos(x)·sec(x) = 1, tan(x)·cot(x) = 1 Reziproke Produkte ergeben Eins
➕ Winkeladdition und -subtraktion (zusammengesetzte Winkel)
8 Formeln Formeln für die trigonometrischen Verhältnisse der Summe und Differenz zweier Winkel (A ± B)
Winkeladdition und -subtraktion (zusammengesetzte Winkel)
8 FormelnFormeln für die trigonometrischen Verhältnisse der Summe und Differenz zweier Winkel (A ± B)
Sinus der Winkelsumme
sin(A + B) = sin(A)cos(B) + cos(A)sin(B) Schlüsselformel für zusammengesetzte Winkel für die Sinusaddition
Sinus der Winkeldifferenz
sin(A - B) = sin(A)cos(B) - cos(A)sin(B) Wichtige zusammengesetzte Winkelformel für die Sinusdifferenz
Kosinus der Winkelsumme
cos(A + B) = cos(A)cos(B) - sin(A)sin(B) Beachten Sie das Minuszeichen in der Kosinussummenentwicklung
Kosinus der Winkeldifferenz
cos(A - B) = cos(A)cos(B) + sin(A)sin(B) Beachten Sie das Pluszeichen bei der Kosinusdifferenzentwicklung
Tangens der Winkelsumme
tan(A + B) = tan(A) + tan(B)1 - tan(A)tan(B) Erfordert tan(A)tan(B) ≠ 1
Tangente der Winkeldifferenz
tan(A - B) = tan(A) - tan(B)1 + tan(A)tan(B) Erfordert tan(A)tan(B) ≠ -1
Kotangens der Winkelsumme
cot(A + B) = cot(A)cot(B) - 1cot(B) + cot(A) Zusammengesetzte Formel für die Kotangenssumme
Kotangens der Winkeldifferenz
cot(A - B) = cot(A)cot(B) + 1cot(B) - cot(A) Zusammengesetzte Formel für die Kotangensdifferenz
✖️2️⃣ Doppelwinkelformeln (2x)
7 Formeln Ausdrücken von Funktionen des Doppelwinkels (2x) als Einzelwinkel (x)
Doppelwinkelformeln (2x)
7 FormelnAusdrücken von Funktionen des Doppelwinkels (2x) als Einzelwinkel (x)
Sinus-Doppelwinkel
sin(2x) = 2 sin(x) cos(x) Enthält ein Formular zur rationalen Tangensparametrisierung
Kosinus-Doppelwinkel (Standarddifferenz)
cos(2x) = cos²(x) - sin²(x) Direkte Konsequenz von cos(x + x)
Kosinus-Doppelwinkel (nur Kosinus)
cos(2x) = 2 cos²(x) - 1 Entscheidend für Integration und Leistungsreduzierung
Kosinus-Doppelwinkel (nur Sinus)
cos(2x) = 1 - 2 sin²(x) Entscheidend für Integration und Halbwinkelableitung
Kosinus-Doppelwinkel (Tangensparametrisierung)
cos(2x) = 1 - tan²(x)1 + tan²(x) Weierstrass-Substitutionsrelation für Kosinus
Tangentialer Doppelwinkel
tan(2x) = 2 tan(x)1 - tan²(x) Erfordert tan²(x) ≠ 1
Kotangens-Doppelwinkel
cot(2x) = cot²(x) - 12 cot(x) Erfordert cot(x) ≠ 0
3️⃣ Dreiwinkelformeln (3x)
4 Formeln Trigonometrische Funktionen von 3x, ausgedrückt in Einwinkel-Polynomformen
Dreiwinkelformeln (3x)
4 FormelnTrigonometrische Funktionen von 3x, ausgedrückt in Einwinkel-Polynomformen
Sinus-Dreifachwinkel
sin(3x) = 3 sin(x) - 4 sin³(x) Nützlich zum Lösen kubischer Gleichungen und Algebra
Kosinus-Dreifachwinkel
cos(3x) = 4 cos³(x) - 3 cos(x) Direktes kubisches Tschebyscheff-Polynom T₃(x) = 4x³ - 3x
Tangentialer Dreifachwinkel
tan(3x) = 3 tan(x) - tan³(x)1 - 3 tan²(x) Erfordert 3tan²(x) ≠ 1
Kotangensdreifacher Winkel
cot(3x) = 3 cot(x) - cot³(x)1 - 3 cot²(x) Erfordert 3cot²(x) ≠ 1
½ Halbwinkelformeln (x/2)
6 Formeln Genaue Formeln für Halbwinkel, deren Vorzeichen durch den Quadranten von x/2 bestimmt wird
Halbwinkelformeln (x/2)
6 FormelnGenaue Formeln für Halbwinkel, deren Vorzeichen durch den Quadranten von x/2 bestimmt wird
Sinus-Halbwinkel
sin(x2) = ±√1 - cos(x)2 ±-Vorzeichen, ausgewählt basierend auf dem Quadranten, der x/2 enthält
Kosinus-Halbwinkel
cos(x2) = ±√1 + cos(x)2 ±-Vorzeichen, ausgewählt basierend auf dem Quadranten, der x/2 enthält
Tangentialer Halbwinkel (radikale Form)
tan(x2) = ±√1 - cos(x)1 + cos(x) Quadratwurzel-Halbwinkelform für Tangente
Tangentialer Halbwinkel (Rationale Form 1)
tan(x2) = 1 - cos(x)sin(x) Keine Zeichenmehrdeutigkeit; exakt für alle x ≠ nπ
Tangentialer Halbwinkel (Rationale Form 2 / Differenz)
tan(x2) = sin(x)1 + cos(x) = csc(x) - cot(x) Äquivalent zur Differenz csc(x) - cot(x)
Kotangens-Halbwinkel
cot(x2) = 1 + cos(x)sin(x) = csc(x) + cot(x) Entspricht der Summe csc(x) + cot(x)
⚡ Formeln zur Leistungsreduzierung (quadratische und höhere Potenzen)
7 Formeln Konvertiert Potenzen trigonometrischer Funktionen in Vielfache ersten Grades von x (wesentlich für die Integralrechnung)
Formeln zur Leistungsreduzierung (quadratische und höhere Potenzen)
7 FormelnKonvertiert Potenzen trigonometrischer Funktionen in Vielfache ersten Grades von x (wesentlich für die Integralrechnung)
Sinusquadrat-Leistungsreduzierung
sin²(x) = 1 - cos(2x)2 Grundrechnung Stammfunktionsreduktion: ∫sin²(x)dx
Kosinusquadrat-Leistungsreduzierung
cos²(x) = 1 + cos(2x)2 Grundrechnung der Stammfunktionsreduktion: ∫cos²(x)dx
Tangente quadratische Leistungsreduzierung
tan²(x) = 1 - cos(2x)1 + cos(2x) Rationale Kosinus-Bruchform für tan²(x)
Sinuswürfel-Leistungsreduzierung
sin³(x) = 3 sin(x) - sin(3x)4 Direkt abgeleitet von der dreifachen Winkelidentität sin(3x).
Cosinus-Würfel-Leistungsreduzierung
cos³(x) = 3 cos(x) + cos(3x)4 Direkt aus der Dreifachwinkelidentität cos(3x) abgeleitet
Sinusvierte Leistungsreduzierung
sin⁴(x) = 3 - 4 cos(2x) + cos(4x)8 Wird für Fourier-Reihen und Integrale höherer Ordnung verwendet
Kosinusvierte Potenzreduzierung
cos⁴(x) = 3 + 4 cos(2x) + cos(4x)8 Wird für Fourier-Reihen und Integrale höherer Ordnung verwendet
✖️➡️➕ Produkt-zu-Summe-Formeln
4 Formeln Wandelt Produkte von Sinus und Cosinus in Summen- und Differenzterme um (entscheidend für Wellenmechanik und Integrale)
Produkt-zu-Summe-Formeln
4 FormelnWandelt Produkte von Sinus und Cosinus in Summen- und Differenzterme um (entscheidend für Wellenmechanik und Integrale)
Sinus × Sinusprodukt
sin(A) sin(B) = ½ [cos(A - B) - cos(A + B)] Wandelt Welleninterferenzprodukte in additive Komponenten um
Cosinus × Cosinus-Produkt
cos(A) cos(B) = ½ [cos(A - B) + cos(A + B)] Wandelt Kosinusprodukte in additive Komponenten um
Sinus × Cosinus-Produkt
sin(A) cos(B) = ½ [sin(A + B) + sin(A - B)] Produktformel für die Standardsignalmodulation
Kosinus × Sinusprodukt
cos(A) sin(B) = ½ [sin(A + B) - sin(A - B)] Komplementäre Produktzerlegung
➕➡️✖️ Summe-zu-Produkt-Formeln
6 Formeln Wandelt Summen und Differenzen trigonometrischer Funktionen in multiplikative Produkte um
Summe-zu-Produkt-Formeln
6 FormelnWandelt Summen und Differenzen trigonometrischer Funktionen in multiplikative Produkte um
Sinus + Sinussumme
sin(A) + sin(B) = 2 sin(A + B2) cos(A - B2) Erklärt das Phänomen der Schwebungsfrequenz in der Akustikwellenakustik
Sinus - Sinus-Differenz
sin(A) - sin(B) = 2 sin(A - B2) cos(A + B2) Form der Differentialwellenanalyse
Kosinus + Kosinussumme
cos(A) + cos(B) = 2 cos(A + B2) cos(A - B2) Sogar Summe-zu-Produkt-Umrechnung
Kosinus - Kosinus-Differenz
cos(A) - cos(B) = -2 sin(A + B2) sin(A - B2) Beachten Sie das führende negative Vorzeichen (oder die umgekehrte Reihenfolge B - A).
Tangente + Tangenssumme
tan(A) + tan(B) = sin(A + B)cos(A) cos(B) Berechnet kombinierte Tangentensteigungen
Tangente - Tangentendifferenz
tan(A) - tan(B) = sin(A - B)cos(A) cos(B) Berechnet die Differenz der Tangentensteigungen
📐 Dreiecksgesetze und geometrische Beziehungen
7 Formeln Gesetze zur Lösung allgemeiner schiefer Dreiecke (Sinus-, Kosinus-, Tangens- und Mollweide-Formeln)
Dreiecksgesetze und geometrische Beziehungen
7 FormelnGesetze zur Lösung allgemeiner schiefer Dreiecke (Sinus-, Kosinus-, Tangens- und Mollweide-Formeln)
Sinusgesetz
asin(A) = bsin(B) = csin(C) = 2R R ist der Radius des umschriebenen Kreises (Circumradius)
Kosinusgesetz (Seite a / Winkel A)
a² = b² + c² - 2bc cos(A) Löst SAS (Side-Angle-Side) oder SSS (Side-Side-Side)
Kosinusgesetz (Seite b und Seite c)
b² = a² + c² - 2ac cos(B), c² = a² + b² - 2ab cos(C) Symmetrische Versionen für die Seiten b und c
Gesetz der Tangenten
a - ba + b = tan[½(A - B)]tan[½(A + B)] Historisch gesehen für logarithmische Berechnungen in der Navigation verwendet
Mollweides erste Formel
a + bc = cos[½(A - B)]sin(½C) Hervorragende Formel zur Überprüfung der Konsistenz des Dreieckslösers
Mollweides zweite Formel
a - bc = sin[½(A - B)]cos(½C) Komplementäre Mollweide-Konsistenzrelation
Trigonometrische Dreiecksfläche (SAS)
Area = ½ a b sin(C) = ½ b c sin(A) = ½ a c sin(B) Berechnet die Fläche von zwei Seiten und den eingeschlossenen Winkel
⭕ Bogenlänge, Sektoren und Kreisbewegung
3 Formeln Beziehungen, die den Winkel im Bogenmaß mit der gekrümmten Entfernung, der Sektorfläche und der Winkelgeschwindigkeit verbinden
Bogenlänge, Sektoren und Kreisbewegung
3 FormelnBeziehungen, die den Winkel im Bogenmaß mit der gekrümmten Entfernung, der Sektorfläche und der Winkelgeschwindigkeit verbinden
Formel für die Bogenlänge
S = r x Winkel x MUSS im Bogenmaß ausgedrückt werden (x = x° × π / 180°)
Kreisförmiger Sektorbereich
Area = ½ r² x = ½ r S x im Bogenmaß; entspricht ½ × Radius × Bogenlänge
Lineare Geschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit
v = r ω, ω = xt = 2π f Setzt die lineare Tangentialgeschwindigkeit v mit der Winkelgeschwindigkeit ω und der Frequenz f in Beziehung
🌐 Eulers Formel, De Moivre's & Complex Trig
5 Formeln Brücke zwischen exponentieller komplexer Analyse und polarer Trigonometrie
Eulers Formel, De Moivre's & Complex Trig
5 FormelnBrücke zwischen exponentieller komplexer Analyse und polarer Trigonometrie
Eulers Formel
e^(ix) = cos(x) + i sin(x) = cis(x) Verbindet die Exponentialfunktion direkt mit Sinus und Cosinus; für x=π ergibt sich e^(iπ) + 1 = 0
De Moivres Formel
(r cis x)ⁿ = rⁿ cis(nx) = rⁿ [cos(nx) + i sin(nx)] Berechnet Potenzen und Wurzeln komplexer Zahlen sofort
Polare Multiplikation und Division
(r₁ cis x)(r₂ cis φ) = r₁r₂ cis(x + φ),r₁ cis xr₂ cis φ = (r₁r₂) cis(x - φ) Größen multiplizieren/dividieren; Winkelargumente addieren/subtrahieren
Exponentielle Definition des Kosinus
cos(x) = e^(ix) + e^(-ix)2 Drückt den Kosinus algebraisch mithilfe komplexer Exponentialfunktionen aus
Exponentielle Definition von Sinus
sin(x) = e^(ix) - e^(-ix)2i Drückt den Sinus algebraisch mithilfe komplexer Exponentialfunktionen aus
↩️ Inverse trigonometrische Identitäten
6 Formeln Eigenschaften, Hauptwertzweigidentitäten und Summenformeln für inverse Kreisfunktionen
Inverse trigonometrische Identitäten
6 FormelnEigenschaften, Hauptwertzweigidentitäten und Summenformeln für inverse Kreisfunktionen
Inverse komplementäre Identitäten
sin⁻¹(x) + cos⁻¹(x) = π2, tan⁻¹(x) + cot⁻¹(x) = π2, sec⁻¹(x) + csc⁻¹(x) = π2 Gültig für die jeweiligen Domänen: x ∈ [-1, 1], x ∈ ℝ, |x| ≥ 1
Inverse Tangentensummenformel
tan⁻¹(x) + tan⁻¹(y) = tan⁻¹(x + y1 - xy) Wenn xy > 1 und x,y > 0, addiere π zum Ergebnis
Inverse Tangentendifferenzformel
tan⁻¹(x) - tan⁻¹(y) = tan⁻¹(x - y1 + xy) Standardformel für die inverse Tangenssubtraktion
Doppelte umgekehrte Tangens-Mehrfachdarstellungen
2 tan⁻¹(x) = sin⁻¹(2x1 + x²) = cos⁻¹(1 - x²1 + x²) = tan⁻¹(2x1 - x²) Entscheidend für die Weierstrass-Infinitesimalrechnung (t = tan(x/2))
Negative Argumente, umgekehrte Identitäten
sin⁻¹(-x) = -sin⁻¹(x), tan⁻¹(-x) = -tan⁻¹(x), cos⁻¹(-x) = π - cos⁻¹(x) Beachten Sie, dass cos⁻¹(-x) π - cos⁻¹(x) erzeugt
Inverse reziproke Funktionsbeziehungen
csc⁻¹(x) = sin⁻¹(1x), sec⁻¹(x) = cos⁻¹(1x), cot⁻¹(x) = tan⁻¹(1x) [x > 0] Reziproke Argumentzuordnung für Umkehrfunktionen
Ableitungsregeln & Differentialrechnung
Potenz-, Produkt-, Quotienten- und Kettenregel, Ableitungen von Exponential-, Logarithmus- und Trigonometriefunktionen.
⚡ Grundlegende Derivateregeln und -operationen
9 Formeln Grundlegende operative Differenzierungsregeln für Konstanten, Potenzen und algebraische Kombinationen
Grundlegende Derivateregeln und -operationen
9 FormelnGrundlegende operative Differenzierungsregeln für Konstanten, Potenzen und algebraische Kombinationen
Ableitung nach ersten Prinzipien (Grenzwertdefinition)
f'(x) = lim[h→0] (f(x + h) - f(x))h Grundlegende Definition der Ableitung als momentane Änderungsrate
Konstante Regel
ddx [c] = 0 Die Ableitung jeder Konstante c ist Null
Machtregel
ddx [xⁿ] = n·xⁿ⁻¹ Gültig für alle reellen Exponenten n (n ∈ ℝ)
Konstante Mehrfachregel
ddx [c·f(x)] = c·f'(x) Konstanten berücksichtigen die Differenzierung
Summen- und Differenzregel
ddx [f(x) ± g(x)] = f'(x) ± g'(x) Differenzierung ist ein linearer Operator
Produktregel (Leibniz-Regel)
ddx [f(x)·g(x)] = f'(x)g(x) + f(x)g'(x) Zuerst differenzieren, zweitens halten, plus zuerst halten, zweitens differenzieren
Quotientenregel
ddx [f(x)g(x)] = g(x)f'(x) - f(x)g'(x)[g(x)]² Erfordert g(x) ≠ 0
Kettenregel (zusammengesetzte Funktionen)
ddx [f(g(x))] = f'(g(x))·g'(x) Differenzieren Sie die äußere Funktion, die von der inneren ausgewertet wird, und multiplizieren Sie sie mit der Ableitung der inneren Funktion
Reziproke Funktionsregel
ddx [1f(x)] = -f'(x)[f(x)]² Direkte Verknüpfung für reziproke Funktionen
📈 Exponentielle und logarithmische Ableitungen
7 Formeln Ableitungen natürlicher, allgemeiner Basisexponentialfunktionen und logarithmischer Funktionen
Exponentielle und logarithmische Ableitungen
7 FormelnAbleitungen natürlicher, allgemeiner Basisexponentialfunktionen und logarithmischer Funktionen
Natürliche exponentielle Ableitung
ddx [eˣ] = eˣ Die eindeutige Funktion ungleich Null, die ihrer eigenen Ableitung entspricht
Zusammengesetztes natürliches exponentielles Derivat
ddx [e^(f(x))] = e^(f(x))·f'(x) Kettenregel angewendet auf die natürliche Exponentialfunktion
Allgemeine Basis-Exponentialableitung
ddx [aˣ] = aˣ·ln(a) Gültig für a > 0, a ≠ 1
Ableitung des natürlichen Logarithmus
ddx [ln(x)] = 1x Für absolute Werte: d/dx [ln|x|] = 1 / x (x ≠ 0)
Zusammengesetzte natürliche Logarithmus-Ableitung
ddx [ln(f(x))] = f'(x)f(x) Logarithmische Ableitung / relative Änderungsrate
Allgemeine Basislogarithmus-Ableitung
ddx [loga(x)] = 1x·ln(a) Änderung der Basisdifferenzierungsformel
Variablenbasis und Variablenexponent (xˣ)
ddx [xˣ] = xˣ·(1 + ln(x)) Abgeleitet durch logarithmische Differentiation y = xˣ ⇒ ln y = x ln x
📐 Ableitungen trigonometrischer Funktionen
7 Formeln Ableitungen aller sechs trigonometrischen Standardfunktionen (sin, cos, tan, cot, sec, csc)
Ableitungen trigonometrischer Funktionen
7 FormelnAbleitungen aller sechs trigonometrischen Standardfunktionen (sin, cos, tan, cot, sec, csc)
Ableitung von Sinus
ddx [sin(x)] = cos(x) Die Änderungsrate des Sinus ist der Kosinus
Ableitung des Kosinus
ddx [cos(x)] = -sin(x) Beachten Sie das negative Vorzeichen für die „Co-“-Funktion
Ableitung der Tangente
ddx [tan(x)] = sec²(x) Auch gleich 1 + tan²(x)
Ableitung des Kotangens
ddx [cot(x)] = -csc²(x) Auch gleich -(1 + cot²(x))
Ableitung von Sekante
ddx [sec(x)] = sec(x)·tan(x) Produkt aus Sekante und Tangente
Ableitung des Kosekans
ddx [csc(x)] = -csc(x)·cot(x) Produkt aus Kosekans und Kotangens mit negativem Vorzeichen
Zusammengesetzte trigonometrische Kettenform
ddx [sin(f(x))] = cos(f(x))·f'(x), ddx [cos(f(x))] = -sin(f(x))·f'(x) Standardmäßige verallgemeinerte trigonometrische Kettenregel
↩️ Inverse trigonometrische Ableitungen
6 Formeln Ableitungen von Umkehrsinus, Kosinus, Tangens, Kotangens, Sekante und Kosekans
Inverse trigonometrische Ableitungen
6 FormelnAbleitungen von Umkehrsinus, Kosinus, Tangens, Kotangens, Sekante und Kosekans
Ableitung des Umkehrsinus
ddx [sin⁻¹(x)] = 1√1 - x² Domäne streng zwischen -1 und 1
Ableitung des Umkehrkosinus
ddx [cos⁻¹(x)] = -1√1 - x² Exaktes Negativ der inversen Sinusableitung
Ableitung des Umkehrtangens
ddx [tan⁻¹(x)] = 11 + x² Gilt für alle reellen Zahlen ohne Singularität
Ableitung des inversen Kotangens
ddx [cot⁻¹(x)] = -11 + x² Exaktes Negativ der Umkehrtangensableitung
Ableitung der inversen Sekante
ddx [sec⁻¹(x)] = 1|x|·√x² - 1 Erfordert |x| > 1
Ableitung des umgekehrten Kosekans
ddx [csc⁻¹(x)] = -1|x|·√x² - 1 Exaktes Negativ der inversen Sekantenableitung
〰️ Hyperbolische und inverse hyperbolische Ableitungen
9 Formeln Ableitungen von sinh, cosh, tanh und ihren jeweiligen Umkehrfunktionen
Hyperbolische und inverse hyperbolische Ableitungen
9 FormelnAbleitungen von sinh, cosh, tanh und ihren jeweiligen Umkehrfunktionen
Ableitung des hyperbolischen Sinus (sinh x)
ddx [sinh(x)] = cosh(x) Beachten Sie kein negatives Vorzeichen (im Gegensatz zum regulären Kosinus).
Ableitung des hyperbolischen Kosinus (cosh x)
ddx [cosh(x)] = sinh(x) Positive Änderungsrate
Ableitung des hyperbolischen Tangens (tanh x)
ddx [tanh(x)] = sech²(x) Entscheidend für die Backpropagation der neuronalen Netzwerkaktivierung
Ableitung des hyperbolischen Kotangens (coth x)
ddx [coth(x)] = -csch²(x) Negativer hyperbolischer Kosekans im Quadrat
Ableitung der hyperbolischen Sekante (sech x)
ddx [sech(x)] = -sech(x)·tanh(x) Negatives hyperbolisches Produkt
Ableitung des hyperbolischen Kosekans (csch x)
ddx [csch(x)] = -csch(x)·coth(x) Negatives hyperbolisches Produkt
Ableitung des umgekehrten hyperbolischen Sinus
ddx [arsinh(x)] = 1√x² + 1 Gültig für alle reellen x
Ableitung des inversen hyperbolischen Kosinus
ddx [arcosh(x)] = 1√x² - 1 Gültig für x > 1
Ableitung des umgekehrten hyperbolischen Tangens
ddx [artanh(x)] = 11 - x² Gültig für |x| < 1
🔬 Fortgeschrittene Differenzierungstechniken und Theoreme
6 Formeln Implizite Differentiation, parametrische Kurven, L’Hôpital-Regel und Taylor-Entwicklungen
Fortgeschrittene Differenzierungstechniken und Theoreme
6 FormelnImplizite Differentiation, parametrische Kurven, L’Hôpital-Regel und Taylor-Entwicklungen
Parametrische erste Ableitung (dy/dx)
dydx = dydtdxdt Berechnet die Tangentensteigung der Kurve aus den parametrischen Gleichungen x(t), y(t)
Parametrische zweite Ableitung (d²y/dx²)
d²ydx² = [ddt (dydx)]dxdt Berechnet die Konkavität parametrischer Kurven
L'Hôpital-Regel (0/0- oder ∞/∞-Grenzwerte)
lim[x→c] f(x)g(x) = lim[x→c] f'(x)g'(x) Löst unbestimmte Grenzwerte durch unabhängige Differenzierung von Zähler und Nenner auf
Mittelwertsatz (MVT)
f'(c) = f(b) - f(a)b - a Garantiert einen Punkt, an dem die momentane Änderungsrate der durchschnittlichen Änderungsrate entspricht
Taylorreihenentwicklung um x = a
f(x) = ∑[n = 0→∞] (f⁽ⁿ⁾(a)n!)·(x - a)ⁿ Polynomische Approximation glatter differenzierbarer Funktionen
Erweiterung der Maclaurin-Reihe (a = 0)
f(x) = ∑[n = 0→∞] (f⁽ⁿ⁾(0)n!)·xⁿ Taylor-Reihe mit Mittelpunkt im Ursprung (x = 0)
Integrale & Standard-Stammfunktionen
Standard-Stammfunktionen, Exponential-, Logarithmus-, trigonometrische Integrale und partielle Integration.
∫ Grundlegende Integrationsregeln und -befugnisse
6 Formeln Elementare Stammfunktionsregeln für Konstanten, algebraische Potenzen und Linearkombinationen
Grundlegende Integrationsregeln und -befugnisse
6 FormelnElementare Stammfunktionsregeln für Konstanten, algebraische Potenzen und Linearkombinationen
Konstantes Integral
∫ k dx = k·x + C Die Stammfunktion einer Konstanten k ist k·x + C
Machtregel der Integration
∫ xⁿ dx = xⁿ⁺¹n + 1 + C Gültig für alle reellen Potenzen n außer n = -1
Reziprokes Funktionsintegral (1/x)
∫ (1x) dx = ln|x| + C Entscheidender Sonderfall für n = -1 in der Potenzregel
Linearitätsregel der Integration
∫ [a·f(x) ± b·g(x)] dx = a ∫ f(x) dx ± b ∫ g(x) dx Integration ist eine lineare funktionale Operation
Lineare zusammengesetzte Potenzregel
∫ (ax + b)ⁿ dx = (ax + b)ⁿ⁺¹a(n + 1) + C Abkürzung für lineare Binomialpotenzen
Lineares zusammengesetztes reziprokes Integral
∫ (1ax + b) dx = (1a)·ln|ax + b| + C Standardformel für die lineare Nennerintegration
📈 Exponentielle und logarithmische Integrale
6 Formeln Stammfunktionen mit natürlichem eˣ, allgemeiner Basis aˣ und logarithmischen Termen
Exponentielle und logarithmische Integrale
6 FormelnStammfunktionen mit natürlichem eˣ, allgemeiner Basis aˣ und logarithmischen Termen
Natürliches Exponentialintegral
∫ eˣ dx = eˣ + C Die Funktion entspricht bis zur Konstante C ihrer eigenen Stammfunktion
Skaliertes Exponentialintegral (eᵃˣ)
∫ e^(ax) dx = (1a)·e^(ax) + C Standardskalierte exponentielle Integrationsregel
Allgemeines Basis-Exponentialintegral (aˣ)
∫ aˣ dx = aˣln(a)+ C Dividiert durch ln(a), da die Ableitung mit ln(a) multipliziert wird.
Natürliches Logarithmus-Integral
∫ ln(x) dx = x·ln(x) - x + C Abgeleitet durch partielle Integration mit u = ln x, dv = dx
Allgemeines Basislogarithmus-Integral
∫ loga(x) dx = x·ln(x) - xln(a)+ C Änderung der Basisintegration für Logarithmen
Produktintegral (x · eˣ)
∫ x·eˣ dx = eˣ(x - 1) + C Klassische Integration durch Teileanwendung
📐 Grundlegende trigonometrische Integrale
6 Formeln Direkte Stammfunktionen, die den trigonometrischen Standardableitungen entsprechen
Grundlegende trigonometrische Integrale
6 FormelnDirekte Stammfunktionen, die den trigonometrischen Standardableitungen entsprechen
Integral des Sinus
∫ sin(x) dx = -cos(x) + C Beachten Sie das negative Vorzeichen in der Stammfunktion des Sinus
Integral des Kosinus
∫ cos(x) dx = sin(x) + C Direkte standardisierte trigonometrische Stammfunktion
Integral des Sekantenquadrats
∫ sec²(x) dx = tan(x) + C Weil die Ableitung des Tangens das Sekantenquadrat ist
Integral des Kosekantenquadrats
∫ csc²(x) dx = -cot(x) + C Da die Ableitung des Kotangens -csc²(x) ist
Integral von Sekante × Tangente
∫ sec(x) tan(x) dx = sec(x) + C Direkte Ableitungsumkehr von sec(x)
Integral von Kosekans × Kotangens
∫ csc(x) cot(x) dx = -csc(x) + C Direkte Ableitungsumkehr von csc(x)
⚡ Erweiterte und quadrierte trigonometrische Integrale
8 Formeln Integrale von tan, cot, sec, csc und quadrierten trigonometrischen Termen
Erweiterte und quadrierte trigonometrische Integrale
8 FormelnIntegrale von tan, cot, sec, csc und quadrierten trigonometrischen Termen
Integral der Tangente
∫ tan(x) dx = ln|sec(x)| + C = -ln|cos(x)| + C Bewertet durch Substitution u = cos(x)
Integral des Kotangens
∫ cot(x) dx = ln|sin(x)| + C = -ln|csc(x)| + C Bewertet durch Substitution u = sin(x)
Integral der Sekante
∫ sec(x) dx = ln|sec(x) + tan(x)| + C Berühmte Integralrechnung multipliziert mit (sec x + tan x)/(sec x + tan x)
Integral des Kosekans
∫ csc(x) dx = ln|csc(x) - cot(x)| + C = ln|tan(x2)| + C Standardmäßiges logarithmisches Kosekansintegral
Integral des Sinusquadrats (sin² x)
∫ sin²(x) dx = (x2) - (sin(2x)4) + C Bewertet anhand der Leistungsreduzierungsidentität sin²(x) = (1 - cos 2x)/2
Integral des Kosinusquadrats (cos² x)
∫ cos²(x) dx = (x2) + (sin(2x)4) + C Bewertet anhand der Leistungsreduzierungsidentität cos²(x) = (1 + cos 2x)/2
Integral des Tangentenquadrats (tan² x)
∫ tan²(x) dx = tan(x) - x + C Bewertet mit der Identität tan²(x) = sec²(x) - 1
Integral des Kotangens im Quadrat (cot² x)
∫ cot²(x) dx = -cot(x) - x + C Ausgewertet anhand der Identität cot²(x) = csc²(x) - 1
↩️ Integrale, die inverse trigonometrische Funktionen ergeben
5 Formeln Standardalgebraische Bruchintegrale, deren Stammfunktionen inverse trigonometrische Funktionen sind
Integrale, die inverse trigonometrische Funktionen ergeben
5 FormelnStandardalgebraische Bruchintegrale, deren Stammfunktionen inverse trigonometrische Funktionen sind
Integraler inverser Sinus
∫ (1√a² - x²) dx = sin⁻¹(xa) + C Beachten Sie, dass es für den Umkehrsinus keinen 1/a-Faktor gibt
Integraler nachgebender Umkehrtangens
∫ (1a² + x²) dx = (1a)·tan⁻¹(xa) + C Im Gegensatz zum Umkehrsinus ist der 1/a-Koeffizient erforderlich
Integrale nachgebende inverse Sekante
∫ (1x·√x² - a²) dx = (1a)·sec⁻¹(|x|a) + C Beinhaltet den 1/a-Koeffizienten und den Absolutwert |x|
Integral von 1 / (x² - a²)
∫ (1x² - a²) dx = (12a)·ln|(x - a)x + a| + C Erhalten durch Teilbruchzerlegung 1/(x²-a²)
Integral von 1 / (a² - x²)
∫ (1a² - x²) dx = (12a)·ln|(a + x)a - x| + C Erhalten durch Teilbruchzerlegung 1/(a²-x²)
√ Spezielle radikalische Quadratwurzelintegrale
4 Formeln Durch trigonometrische Substitution gelöste Standardradikalintegrale (x = a sin θ, a tan θ, a sec θ)
Spezielle radikalische Quadratwurzelintegrale
4 FormelnDurch trigonometrische Substitution gelöste Standardradikalintegrale (x = a sin θ, a tan θ, a sec θ)
Integral von √(a² - x²)
∫ √a² - x² dx = (x2)√a² - x² + (a²2)sin⁻¹(xa) + C Wird zur Berechnung kreisförmiger und elliptischer Sektorflächen verwendet
Integral von √(x² + a²)
∫ √x² + a² dx = (x2)√x² + a² + (a²2)ln|x + √x² + a²| + C Gelöst durch Substitution x = a tan θ oder hyperbolisch x = a sinh u
Integral von √(x² - a²)
∫ √x² - a² dx = (x2)√x² - a² - (a²2)ln|x + √x² - a²| + C Gelöst durch Substitution x = a sec θ oder hyperbolisch x = a cosh u
Integral von 1 / √(x² ± a²)
∫ (1√x² ± a²) dx = ln|x + √x² ± a²| + C Auch gleich arsinh(x/a) bzw. arcosh(x/a).
〰️ Hyperbolische Funktionsintegrale
6 Formeln Stammfunktionen für sinh, cosh, tanh und hyperbolische trigonometrische Formen
Hyperbolische Funktionsintegrale
6 FormelnStammfunktionen für sinh, cosh, tanh und hyperbolische trigonometrische Formen
Integral des hyperbolischen Sinus (sinh x)
∫ sinh(x) dx = cosh(x) + C Positiver cosh(x) + C (kein negatives Vorzeichen)
Integral des hyperbolischen Kosinus (cosh x)
∫ cosh(x) dx = sinh(x) + C Direkte hyperbolische Stammfunktion
Integral des hyperbolischen Tangens (tanh x)
∫ tanh(x) dx = ln(cosh x) + C Da cosh x > 0 für alle reellen x ist, ist kein absoluter Wert erforderlich
Integral des hyperbolischen Sekantenquadrats (sech² x)
∫ sech²(x) dx = tanh(x) + C Direkte Stammfunktion mit tanh(x)
Integral des hyperbolischen Kosekantenquadrats (csch² x)
∫ csch²(x) dx = -coth(x) + C Negativer hyperbolischer Kotangens
Integral von sech(x) · tanh(x)
∫ sech(x) tanh(x) dx = -sech(x) + C Stammfunktion des hyperbolischen Sekanten-Tangens-Produkts
🛠️ Integrationstechniken und -methoden
4 Formeln Allgemeine analytische Integrationsmethoden: Teile, Substitution und Teilbrüche
Integrationstechniken und -methoden
4 FormelnAllgemeine analytische Integrationsmethoden: Teile, Substitution und Teilbrüche
Integration nach Teileformel
∫ u dv = u·v - ∫ v du Wählen Sie u mithilfe der LIATE-Regel (logarithmisch, invers trigonometrische, algebraisch, trigonometrische, exponentiell).
Integration durch U-Substitution (Variablenänderung)
∫ f(g(x))·g'(x) dx = ∫ f(u) du Kehrt die Kettenregel der Differenzierung um
Weierstrass-Halbwinkelsubstitution (t = tan(x/2))
sin(x) = 2t1+t², cos(x) = 1-t²1+t², dx = 2dt1+t² Wandelt jedes rationale trigonometrische Integral in ein rationales polynomiales algebraisches Integral um
Logarithmische Ableitungsform (∫ f'(x)/f(x) dx)
∫ (f'(x)f(x)) dx = ln|f(x)| + C Immer wenn der Zähler die genaue Ableitung des Nenners ist
📊 Bestimmte Integrale und Fundamentalsätze
5 Formeln Fundamentalsatz der Analysis (FTC), Symmetrieeigenschaften und Leibniz-Regel
Bestimmte Integrale und Fundamentalsätze
5 FormelnFundamentalsatz der Analysis (FTC), Symmetrieeigenschaften und Leibniz-Regel
Fundamentalsatz der Analysis (Teil 1 – Differentiation von Integralen)
ddx [ ∫xa f(t) dt ] = f(x) Verbindet Differenzierung und Integration als inverse mathematische Operationen
Fundamentalsatz der Analysis (Teil 2 – Bewertungssatz)
∫ba f(x) dx = F(b) - F(a) Wertet die Nettofläche und die akkumulierte Änderung über das Intervall [a, b] aus.
Leibniz-Regel zur Differenzierung nach dem Integralzeichen
ddx [ ∫v(x)u(x) f(t) dt ] = f(v(x))·v'(x) - f(u(x))·u'(x) Kettenregel erweitert auf variable untere und obere Integrationsgrenzen
Bestimmte integrale gerade/ungerade Funktionssymmetrie auf [-a, a]
Even: ∫a-a f(x) dx = 2 ∫a0 f(x) dx, Odd: ∫a-a f(x) dx = 0 Sofortige Vereinfachung für symmetrische Integrationsgrenzen [-a, a]
Mittelwertsatz für bestimmte Integrale
favg = (1b - a)·∫ba f(x) dx = f(c) Berechnet den wahren Durchschnittswert einer stetigen Funktion über [a, b]
🔁 Trigonometrische Reduktionsformeln
4 Formeln Rekursive Reduktionsformeln zur Integration höherer trigonometrischer Potenzen (sinⁿ x, cosⁿ x, tanⁿ x, secⁿ x)
Trigonometrische Reduktionsformeln
4 FormelnRekursive Reduktionsformeln zur Integration höherer trigonometrischer Potenzen (sinⁿ x, cosⁿ x, tanⁿ x, secⁿ x)
Formel zur Sinusleistungsreduzierung
∫ sinⁿ(x) dx = -sinⁿ⁻¹(x)cos(x)n+ (n - 1n) ∫ sinⁿ⁻²(x) dx Reduziert die Sinusleistung bei jeder Iteration um 2
Formel zur Kosinusleistungsreduzierung
∫ cosⁿ(x) dx = cosⁿ⁻¹(x)sin(x)n+ (n - 1n) ∫ cosⁿ⁻²(x) dx Reduziert die Kosinuspotenz bei jeder Iteration um 2
Tangentenleistungsreduzierungsformel
∫ tanⁿ(x) dx = tanⁿ⁻¹(x)n - 1 - ∫ tanⁿ⁻²(x) dx Schnelle algebraische Reduktion für tanⁿ(x)
Formel zur Reduzierung der Sekantenleistung
∫ secⁿ(x) dx = secⁿ⁻²(x)tan(x)n - 1 + (n - 2n - 1) ∫ secⁿ⁻²(x) dx Reduziert höhere Sekantenpotenzen (z. B. ∫sec³ x dx)
Vollständige Mathematik-Sammlung
Algebraische Identitäten, 2D/3D-Geometrie, Matrizen, Vektoren, Reihen, Differentialgleichungen und Wahrscheinlichkeit.
🔢 Kapitel 1: Algebraische Identitäten, Polynome und Ungleichungen
9 Formeln Binomialentwicklungen, Summe/Differenz von Würfeln, Vieta-Relationen, Binomialsatz und grundlegende Ungleichungen
Kapitel 1: Algebraische Identitäten, Polynome und Ungleichungen
9 FormelnBinomialentwicklungen, Summe/Differenz von Würfeln, Vieta-Relationen, Binomialsatz und grundlegende Ungleichungen
Quadratische Gleichungsformel und Wurzeln
x = -b ± √b² - 4ac2a Lösungen zur quadratischen Standardgleichung ax² + bx + c = 0; Die Diskriminante Δ = b² - 4ac bestimmt die reale/komplexe Natur
Binomiale Quadrat- und Würfelerweiterungsidentitäten
(a ± b)² = a² ± 2ab + b², (a ± b)³ = a³ ± 3a²b + 3ab² ± b³ Grundlegende Polynomentwicklungen algebraischer Binome
Trinomiale quadratische Identität
(a + b + c)² = a² + b² + c² + 2(ab + bc + ca) Erweiterung des Quadrats einer Summe von drei Termen
Differenz- und Würfelsummenfaktorisierung
a³ - b³ = (a - b)(a² + ab + b²), a³ + b³ = (a + b)(a² - ab + b²) Exakte algebraische Faktorisierungen für Summe und Differenz kubischer Terme
Eulers kubische Identität mit drei Variablen
a³ + b³ + c³ - 3abc = (a + b + c)(a² + b² + c² - ab - bc - ca) = ½(a + b + c)[(a - b)² + (b - c)² + (c - a)²] Sonderfall: Wenn a + b + c = 0, dann a³ + b³ + c³ = 3abc
Allgemeiner Binomialsatz
(x + y)ⁿ = ∑[k = 0 to n] (n!k!(n - k)!)·xⁿ⁻ᵏ·yᵏ Erweitert jede positive ganzzahlige Potenz einer Binomialsumme mithilfe kombinatorischer Koeffizienten
Vietas Formeln für Polynomwurzeln
Quadratic: r₁ + r₂ = -ba, r₁·r₂ = ca; Cubic: ∑ ri = -ba, ∑ ri rj = ca, r₁r₂r₃ = -da Direkte Beziehungen zwischen Polynomwurzeln und Koeffizienten
AM-GM-HM Klassische Mittelungleichung
AM ≥ GM ≥ HM ⟹ a₁ + a₂ + ... + ann ≥ ⁿ√a₁·a₂·...·an ≥ n1a₁+1a₂+ ... +1an Gleichheit gilt genau dann, wenn alle Elemente a₁ = a₂ = ... = a_n
Cauchy-Schwarz-Ungleichung
(∑[i = 1 to n] ai·bi)² ≤ (∑[i = 1 to n] ai²)·(∑[i = 1 to n] bi²) Universelle Ungleichheit in realen/komplexen inneren Produkträumen
📐 Kapitel 2: 2D-Koordinatengeometrie und Kegelschnitte
8 Formeln Distanz, Schnittformeln, Geraden, Kreise, Parabeln, Ellipsen und Hyperbeln
Kapitel 2: 2D-Koordinatengeometrie und Kegelschnitte
8 FormelnDistanz, Schnittformeln, Geraden, Kreise, Parabeln, Ellipsen und Hyperbeln
2D-euklidische Abstands- und Abschnittsformel
d = √(x₂ - x₁)² + (y₂ - y₁)², x = m·x₂ ± n·x₁m ± n Gerader Abstand und interne/externe Verhältnisteilung des Liniensegments, das (x₁, y₁) und (x₂, y₂) verbindet
Schnürsenkeldreieck- und Polygonflächenformel
Area = ½·|x₁(y₂ - y₃) + x₂(y₃ - y₁) + x₃(y₁ - y₂)| Berechnet die planare Fläche aus den Koordinaten von 3 Eckpunkten; Nullbereich impliziert Kollinearität
Geradengleichungen und senkrechte Distanz
y - y₁ = m·(x - x₁), dperp = |A·x₀ + B·y₀ +C|√A² + B² Punkt-Steigungsgleichung und kürzester senkrechter Abstand vom Punkt (x₀, y₀) zur Linie Ax + By + C = 0
Winkel zwischen zwei sich schneidenden Linien
tan(θ) = |(m₂ - m₁)1 + m₁·m₂| Spitzer Schnittwinkel; parallele Linien haben m₁ = m₂; Senkrechte Linien haben m₁·m₂ = -1
Kreis-Standard- und allgemeine Form
(x - h)² + (y - k)² = r², x² + y² + 2gx + 2fy + c = 0 ⟹ r = √g² + f² - c Kreisgleichung mit Mittelpunkt (h, k) und Radius r
Parabel-Standardform und Exzentrizität
y² = 4ax, Focus: (a, 0), Directrix: x = -a, Latus Rectum: 4a, e = 1 Ort der Punkte mit gleichem Abstand vom Fokus und der Leitlinie (Exzentrizität e = 1)
Ellipse-Standardform, Exzentrizität und Fläche
x²a²+y²b² = 1, e = √1 -b²a², Foci: (±ae, 0), Area = π·a·b Standardmäßige horizontale Ellipse mit großer Halbachse a, kleiner Halbachse b und Exzentrizität e < 1
Hyperbel-Standardform und Asymptoten
x²a²-y²b² = 1, e = √1 +b²a², Asymptotes: y = ±(ba)·x Kegelschnitt mit Exzentrizität e > 1 und linearen Asymptoten durch den Ursprung
🧊 Kapitel 3: 3D-Volumengeometrie und Vermessung
6 Formeln 3D-Distanz, Kugeln, Zylinder, Kegel, Kegelstümpfe, Toroide und 3D-Ebenengleichungen
Kapitel 3: 3D-Volumengeometrie und Vermessung
6 Formeln3D-Distanz, Kugeln, Zylinder, Kegel, Kegelstümpfe, Toroide und 3D-Ebenengleichungen
3D-Entfernungsformel und Kugelgleichung
d = √(x₂ - x₁)² + (y₂ - y₁)² + (z₂ - z₁)², (x - x₀)² + (y - y₀)² + (z - z₀)² = R² Euklidischer Abstand im kartesischen 3D-Raum und Kugelgleichung mit Mittelpunkt (x₀, y₀, z₀) und Radius R
Formeln zur Kugel- und Zylindermessung
Sphere: V = (43)·π·R³, A = 4·π·R²; Cylinder: V = π·r²·h, Atotal = 2·π·r·(r + h) Formeln für volumetrische Kapazität und Gesamtoberfläche für feste 3D-Kugeln und -Zylinder
Rechtes Kreiskegel- und Kegelstumpfvolumen
Cone: V = (13)·π·r²·h, l = √r² + h²; Frustum: V = (13)·π·h·(R² + r² + R·r) Schräghöhe l, Mantelfläche A_lat = π·r·l und Kegelstumpfvolumen
Torus (Donut) Volumen und Oberfläche
Vtorus = 2·π²·R·r², Atorus = 4·π²·R·r Rotationskörper, der durch Drehung eines Kreises mit dem Radius r um eine Achse mit dem Hauptradius R vom Mittelpunkt (R ≥ r) erzeugt wird.
3D-Ebenengleichung und Normalenvektor
A·(x - x₀) + B·(y - y₀) + C·(z - z₀) = 0 ⟹ Ax + By + Cz + D = 0 Gleichung einer Ebene, die durch den Punkt (x₀, y₀, z₀) verläuft, mit Normalenvektor n = <A, B, C>
Kürzester Abstand zwischen Schräglinien in 3D
d = |(a₂ - a₁)·(b₁ × b₂)||b₁ × b₂| Berechnet den absolut kürzesten Abstand zwischen zwei sich nicht schneidenden, nicht parallelen 3D-Linien r₁ = a₁ + λb₁ und r₂ = a₂ + μb₂
📊 Kapitel 4: Lineare Algebra und Matrixtheorie
5 Formeln Determinanten, Matrixinversen, Cramer-Regel, Eigenwerte, Eigenvektoren und Satz von Cayley-Hamilton
Kapitel 4: Lineare Algebra und Matrixtheorie
5 FormelnDeterminanten, Matrixinversen, Cramer-Regel, Eigenwerte, Eigenvektoren und Satz von Cayley-Hamilton
Matrixdeterminante (2×2 und 3×3)
det(A2x2) = ad - bc, det(A3x3) = a(ei - fh) - b(di - fg) + c(dh - eg) Skalarwert-Skalierungsvolumen unter linearer Transformation; det(A) = 0 zeigt eine nicht invertierbare singuläre Matrix an
Matrix-Umkehr- und Adjugatformel
A⁻¹ = (1det(A))·adj(A) = (1det(A))·(C)^T Matrixinverse, wobei adj(A) die Transponierte der Cofaktormatrix C ist
Cramers Regel für lineare Systeme
xi = det(Ai)det(A) Explizite algebraische Formel zur Lösung eines Systems aus n linearen Gleichungen Ax = b, wobei A_i die Spalte i durch b ersetzt
Eigenwerte und charakteristische Gleichung
det(A - λ·I) = 0, (A - λ·I)·v = 0 Charakteristische Polynomwurzeln ergeben skalare Eigenwerte λ; entsprechende Nicht-Null-Vektoren v sind Eigenvektoren
Spur- und Determinanteneigenwertbeziehungen
tr(A) = ∑[i = 1 to n] λi = ∑[i = 1 to n] aii, det(A) = ∏[i = 1 to n] λi Matrixspur entspricht der Summe der Eigenwerte; Determinante ist gleich Produkt aller Eigenwerte
🧭 Kapitel 5: Vektorrechnung und Feldoperatoren
5 Formeln Punkt- und Kreuzprodukte, Dreifachprodukte, Gradient, Divergenz, Curl und Laplace-Funktion
Kapitel 5: Vektorrechnung und Feldoperatoren
5 FormelnPunkt- und Kreuzprodukte, Dreifachprodukte, Gradient, Divergenz, Curl und Laplace-Funktion
Vektorpunkt- (Skalar) und Kreuzprodukte (Vektor).
u·v = |u||v|·cos(θ) = ux vx + uy vy + uz vz, |u × v| = |u||v|·sin(θ) Grundlegende Vektorprodukte: Skalarprodukt ergibt Skalarprojektion; Kreuzprodukt ergibt orthogonalen Vektor
Tripelprodukte (Skalartripel und BAC-CAB-Regel)
[u v w] = u·(v × w), a × (b × c) = b·(a·c) - c·(a·b) Das Skalartripelprodukt berechnet das Volumen eines Parallelepipeds. Die BAC-CAB-Regel erweitert Doppelkreuzprodukte
Gradient eines Skalarfeldes (∇f)
∇f = (∂f∂x)·î + (∂f∂y)·ĵ + (∂f∂z)·k̂ Vektor, der in Richtung der maximalen Anstiegsgeschwindigkeit der Skalarfunktion f zeigt; Die Größe entspricht der maximalen Steigung
Divergenz (∇·F) und Krümmung (∇×F) von Vektorfeldern
∇·F = ∂Fx∂x+∂Fy∂y+∂Fz∂z, ∇ × F = (∂Fz∂y-∂Fy∂z)·î + (∂Fx∂z-∂Fz∂x)·ĵ + (∂Fy∂x-∂Fx∂y)·k̂ Divergenz misst die nach außen gerichtete Flussdichte (∇·F = 0 ist magnetisch); Curl misst die Rotationswirbelstärke (∇×F = 0 ist rotationsfrei)
Laplace-Operator (∇²f)
∇²f = ∇·(∇f) = ∂²f∂x² + ∂²f∂y² + ∂²f∂z² Differentialoperator zweiter Ordnung, der harmonische Potentiale, Wärmediffusion und Wellenausbreitung regelt
🔄 Kapitel 6: Multivariable Integralsätze
4 Formeln Green-Theorem, Stokes-Theorem, Gauß-Divergenz-Theorem und Jacobi-Theorem
Kapitel 6: Multivariable Integralsätze
4 FormelnGreen-Theorem, Stokes-Theorem, Gauß-Divergenz-Theorem und Jacobi-Theorem
Satz von Green in der Ebene
∮[C] (L dx + M dy) = ∬[D] (∂M∂x - ∂L∂y) dA Setzt das Linienintegral gegen den Uhrzeigersinn um die positiv orientierte einfache geschlossene Kurve C in Beziehung zum Doppelintegral über dem umschlossenen Bereich D
Stokes‘ Curl-Theorem
∮[C] F·dr = ∬[S] (∇ × F)·dS Setzt das Zirkulationslinienintegral entlang der Grenzkurve C in Beziehung zum Oberflächenflussintegral der Krümmung ∇×F über der orientierbaren Oberfläche S
Gaußscher Divergenzsatz
∯[S] F·dS = ∭[V] (∇·F) dV Der nach außen gerichtete Nettofluss des Vektorfelds F über die geschlossene Oberfläche S entspricht dem Volumenintegral der Divergenz ∇·F im gesamten Innenvolumen V
Jacobi-Determinante für die Koordinatensubstitution
J = ∂(x, y)∂(u, v) = (∂x∂u)(∂y∂v) - (∂x∂v)(∂y∂u), dx dy = |J| du dv Flächen-/Volumen-Skalierungsfaktor bei multivariabler Variablenänderung (Polar: J = r; Sphärisch: J = ρ² sin φ)
🌐 Kapitel 7: Komplexe Zahlen und komplexe Analyse
4 Formeln Euler-Formel, Satz von De Moivre, Cauchy-Riemann-Analytik und Cauchy-Residuensatz
Kapitel 7: Komplexe Zahlen und komplexe Analyse
4 FormelnEuler-Formel, Satz von De Moivre, Cauchy-Riemann-Analytik und Cauchy-Residuensatz
Komplexe Polar-, Modul- und Euler-Darstellung
z = x + iy = r·(cos(θ) + i·sin(θ)) = r·e^(iθ), r = √x² + y², θ = tan⁻¹(yx) Geometrische Darstellung einer komplexen Zahl in der Argand-Ebene
Der Satz von De Moivre und die n-ten Wurzeln der Einheit
(cos(θ) + i·sin(θ))ⁿ = cos(nθ) + i·sin(nθ) = e^(inθ), zk = ⁿ√r·e^(i(θ + 2kπ)n) Berechnet ganzzahlige/gebrochene Potenzen und symmetrische n-te Wurzeln in der komplexen Ebene
Cauchy-Riemann-Analytizitätsgleichungen
∂u∂x = ∂v∂y, ∂u∂y = -(∂v∂x) Notwendige und ausreichende Bedingungen dafür, dass die komplexe Funktion f(z) = u(x, y) + i·v(x, y) holomorph / komplex differenzierbar ist
Cauchys Integralformel und Residuensatz
f(z₀) = (12πi)·∮[C] (f(z)z - z₀) dz, ∮[C] f(z) dz = 2πi·∑ Res(f, zk) Wertet Konturintegrale über eingeschlossene Singularitäten und Residuen aus Res(f, z₀) = lim[z→z₀] (z - z₀)f(z)
📈 Kapitel 8: Folgen, unendliche Reihen und Fourier-Analyse
4 Formeln Geometrische und AGP-Reihen, Taylor- und Maclaurin-Erweiterungen und Fourier-Reihen
Kapitel 8: Folgen, unendliche Reihen und Fourier-Analyse
4 FormelnGeometrische und AGP-Reihen, Taylor- und Maclaurin-Erweiterungen und Fourier-Reihen
Geometrische Progression (endliche und unendliche Summe)
Sn = a·(1 - rⁿ)1 - r, S_∞ = a1 - r (|r| < 1) Summe der geometrischen Progression mit erstem Term a und gemeinsamem Verhältnis r
Erweiterung der Taylor & Maclaurin-Serie
f(x) = ∑[n = 0 to ∞] (fⁿ(a)n!)·(x - a)ⁿ = f(a) + f'(a)(x - a) + (f''(a)2!)(x - a)² + ... Darstellung der glatten Funktion als unendliche Polynomsumme von Ableitungen am Entwicklungspunkt a (Maclaurin, wenn a = 0)
Standard-Maclaurin-Reihe (eˣ, sin x, cos x, ln(1+x))
eˣ = 1 + x +x²2!+x³3!+ ..., sin x = x -x³3!+x⁵5!- ..., cos x = 1 -x²2!+x⁴4!- ... Darstellungen unendlicher Potenzreihen mit unendlichem Konvergenzradius (R = ∞)
Fourier-Reihenentwicklung der periodischen Funktion
f(x) = a₀2+ ∑[n = 1 to ∞] [an·cos(nπxL) + bn·sin(nπxL)] Zerlegt die periodische Wellenform der Periode 2L in eine unendliche Summe harmonischer sinusförmiger orthogonaler Komponenten
⚡ Kapitel 9: Differentialgleichungen (ODE & PDE)
4 Formeln Integrationsfaktoren erster Ordnung, ODEs mit konstanten Koeffizienten zweiter Ordnung, Laplace-Transformationen und PDEs
Kapitel 9: Differentialgleichungen (ODE & PDE)
4 FormelnIntegrationsfaktoren erster Ordnung, ODEs mit konstanten Koeffizienten zweiter Ordnung, Laplace-Transformationen und PDEs
Lineare ODE 1. Ordnung (Integrierende Faktormethode)
dydx + P(x)·y = Q(x) ⟹ y·e^(∫ P dx) = ∫ Q(x)·e^(∫ P dx) dx + C Allgemeine Lösungsmethode mit Integrationsfaktor I(x) = exp(∫P dx)
Lineare homogene ODE 2. Ordnung (charakteristische Wurzeln)
a·y'' + b·y' + c·y = 0 ⟹ a·λ² + b·λ + c = 0, λ = -b ± √b² - 4ac2a Wurzeln bestimmen die Lösungsform: eindeutig reell (C₁e^λ₁x + C₂e^λ₂x), wiederholt ((C₁ + C₂x)e^λx), komplex α±iβ (e^αx(C₁cos βx + C₂sin βx))
Laplace-Transformation und abgeleitete Eigenschaft
L{f(t)} = F(s) = ∫∞0 e^(-st)·f(t) dt, L{f'(t)} = s·F(s) - f(0) Wandelt lineare Differentialgleichungen in algebraische Gleichungen im S-Bereich komplexer Frequenzen um
Klassische partielle Differentialgleichungen (Welle, Wärme, Laplace)
Wave: ∂²u∂t² = c²·(∂²u∂x²); Heat: ∂u∂t = α·(∂²u∂x²); Laplace: ∂²u∂x² + ∂²u∂y² = 0 Drei grundlegende lineare partielle Differentialgleichungen zweiter Ordnung für Physik und Technik
🎲 Kapitel 10: Wahrscheinlichkeit und statistische Verteilungen
5 Formeln Satz von Bayes, Erwartungswert, Varianz, Binomial-, Poisson- und Gaußsche Normalverteilungen
Kapitel 10: Wahrscheinlichkeit und statistische Verteilungen
5 FormelnSatz von Bayes, Erwartungswert, Varianz, Binomial-, Poisson- und Gaußsche Normalverteilungen
Satz von Bayes und Gesetz der Gesamtwahrscheinlichkeit
P(A | B) = P(B | A)·P(A)P(B) = P(B | A)·P(A)∑ P(B | Ai)·P(Ai) Berechnet die A-Posteriori-Wahrscheinlichkeit P(A|B) bei gegebener Prior-Wahrscheinlichkeit P(A) und bedingter Wahrscheinlichkeit P(B|A)
Erwartungswert- und Varianzbeziehungen
E[X] = ∑ xi·P(xi), Var(X) = E[X²] - (E[X])² = σ², SD(X) = σ = √Var(X) Erstes und zweites zentrales Moment, das den Mittelwert und die Streuung um den Mittelwert misst
Binomiale Wahrscheinlichkeitsverteilung
P(X = k) = (n!k!(n - k)!)·pᵏ·(1 - p)ⁿ⁻ᵏ, μ = n·p, σ² = n·p·(1 - p) Wahrscheinlichkeit von genau k Erfolgen in n unabhängigen Bernoulli-Versuchen mit Erfolgswahrscheinlichkeit p
Poisson-Wahrscheinlichkeitsverteilung
P(X = k) = λᵏ·e^(-λ)k!, μ = λ, σ² = λ Modelliert seltene diskrete Ereignisse in einem festen Zeit-/Raumintervall mit konstanter Durchschnittsrate λ
Gaußsche Normalverteilung und Z-Score
f(x) = (1σ·√2π)·e^(-(x - μ)²2σ²), Z = X - μσ Kontinuierliche symmetrische glockenförmige Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion, die den zentralen Grenzwertsatz bestimmt
Vollständige Physik-Sammlung
Kinematik, Newtonsche Gesetze, Rotationsdynamik, Gravitation, Thermodynamik, Maxwell-Gleichungen, Optik und Quantenphysik.
🏃 Kapitel 1: Kinematik und 1D/2D-Bewegung
13 Formeln Gleichungen für Bewegung, Verschiebung, durchschnittliche und momentane Geschwindigkeit, Beschleunigung und Projektilflugbahn
Kapitel 1: Kinematik und 1D/2D-Bewegung
13 FormelnGleichungen für Bewegung, Verschiebung, durchschnittliche und momentane Geschwindigkeit, Beschleunigung und Projektilflugbahn
Durchschnittliche Geschwindigkeit
vavg = ΔxΔt = xf - xitf - ti Verhältnis der Gesamtverschiebung zum gesamten Zeitintervall
Momentane Geschwindigkeit
v = dxdt = lim[Δt→0] (ΔxΔt) Erste zeitliche Ableitung des Ortskoordinatenvektors nach der Zeit
Momentane Beschleunigung
a = dvdt = d²xdt² = v·(dvdx) Geschwindigkeitsänderungsrate in Bezug auf Zeit oder Position
SUVAT 1. Bewegungsgleichung (Geschwindigkeit-Zeit)
v = u + a·t Setzt die Endgeschwindigkeit zur Anfangsgeschwindigkeit bei gleichmäßiger Beschleunigung a in Beziehung
SUVAT 2. Bewegungsgleichung (Weg-Zeit)
s = u·t + ½·a·t² Berechnet die gesamte lineare Verschiebung bei konstanter Beschleunigung
SUVAT 3. Bewegungsgleichung (Geschwindigkeit-Weg)
v² = u² + 2·a·s Zeitunabhängige kinematische Beziehung für konstante Beschleunigung
Verschiebung in der n-ten Sekunde
sn = u + (a2)·(2n - 1) Berechnet die Verschiebung insbesondere während der n-ten Sekunde der Bewegung
Verschiebung unter Verwendung der Durchschnittsgeschwindigkeit
s = ½·(u + v)·t Gültig für Bewegung unter gleichmäßiger konstanter linearer Beschleunigung
Maximale Projektilhöhe
Hmax = u²·sin²θ2g Maximale vertikale Höhe, die ein im Winkel θ abgefeuertes Projektil erreicht
Gesamtflugzeit des Projektils
T = 2u·sinθg Gesamtflugzeit vom Start bis zur Landung auf ebenem Boden
Horizontale Reichweite des Projektils
R = u²·sin(2θ)g Maximal zurückgelegte horizontale Distanz (maximal bei Startwinkel θ = 45°)
Gleichung für die parabolische Flugbahn des Projektils
y = x·tanθ -g·x²2u²·cos²θ = x·tanθ·(1 -xR) Kartesische Pfadkoordinaten (x, y), die eine reine parabolische Bewegung demonstrieren
Relativer Geschwindigkeitsvektor
v_(AB) = vA - vB, v_(AB) = √vA² + vB² - 2vA·vB·cosθ Geschwindigkeit von Körper A, beobachtet vom Bezugssystem des sich bewegenden Körpers B
⚖️ Kapitel 2: Bewegungsgesetze, Reibung und Kreisdynamik
12 Formeln Die drei Newtonschen Gesetze: linearer Impuls, Impuls, statische/kinetische Reibung, Zentripetalkraft und Neigungswinkel
Kapitel 2: Bewegungsgesetze, Reibung und Kreisdynamik
12 FormelnDie drei Newtonschen Gesetze: linearer Impuls, Impuls, statische/kinetische Reibung, Zentripetalkraft und Neigungswinkel
Linearer Impuls
p = m·v Produkt aus Masse und Geschwindigkeit; in isolierten Systemen ohne äußere Kraft erhalten bleibt
Newtons zweites Bewegungsgesetz
Fnet = dpdt = m·a (for constant mass) Die äußere Nettokraft entspricht der momentanen Änderungsrate des linearen Impulses
Impuls-Impuls-Theorem
J = ∫ F dt = Favg·Δt = Δp = m·vf - m·vi Der Impuls einer Kraft über die Dauer Δt entspricht der gesamten erzeugten Impulsänderung
Maximale statische Grenzreibung
fs(max) = μs·N Selbstregulierende Widerstandskraft, die der Tendenz der Relativbewegung bis zum Schwellenwert entgegenwirkt
Kinetische / Gleitreibung
fk = μk·N Konstante Widerstandskraft, die der aktiven relativen Gleitbewegung entgegenwirkt (typischerweise μ_k < μ_s)
Reibungswinkel und Ruhewinkel
tan(θrepose) = μs, tan(λ) = fs(max)N = μs Minimaler Neigungswinkel, bei dem ein Körper unter der Schwerkraft nach unten zu rutschen beginnt
Zentripetale Beschleunigung
ac = v²r = ω²·r = v·ω = 4π²·rT² Nach innen gerichtete radiale Beschleunigung für eine kreisförmige Flugbahn mit dem Radius r
Zentripetalkraft
Fc = m·v²r = m·ω²·r Netto nach innen gerichtete Kraft, die erforderlich ist, um eine kreisförmige Flugbahnbewegung aufrechtzuerhalten
Optimale sichere Geschwindigkeit auf überhöhten, kurvigen Straßen
vopt = √r·g·tanθ Geschwindigkeit, mit der ein Fahrzeug eine Kurve ohne seitlichen Reibungsverschleiß bewältigt
Maximale sichere Geschwindigkeit auf überhöhten Straßen mit Reibung
vmax = √[r·g·(μs + tanθ)1 - μs·tanθ ] Obere Geschwindigkeitsgrenze, bevor es auf einer geneigten Oberfläche mit Reibung zum Ausrutschen kommt
Zeitperiode des konischen Pendels
T = 2π·√L·cosθg, Tension: Tstring = m·gcosθ Periode des Bob, der den horizontalen Kreis mit dem Kegelwinkel θ und der Saitenlänge L beschreibt
Kritische Geschwindigkeiten für vertikale Kreisbewegungen
vbottom ≥ √5gr, vtop ≥ √gr, Tbottom - Ttop = 6mg Minimale Schwellengeschwindigkeiten, um eine vertikale Schleife zu absolvieren, ohne dass die Saite nachlässt
⚡ Kapitel 3: Arbeit, Energie, Kraft und Kollisionen
11 Formeln Arbeitsenergiesatz, kinetische/potenzielle Energie, Federelastizität, konservative Kräfte, Leistung und elastische/inelastische Kollisionen
Kapitel 3: Arbeit, Energie, Kraft und Kollisionen
11 FormelnArbeitsenergiesatz, kinetische/potenzielle Energie, Federelastizität, konservative Kräfte, Leistung und elastische/inelastische Kollisionen
Mit konstanter Kraft geleistete Arbeit
W = F·d·cosθ = F·d Skalares Punktprodukt aus Kraftvektor und Verschiebungsvektor
Durch variable Kraft geleistete Arbeit (Integral)
W = ∫xfxi F(x) dx Fläche unter dem Kraft-Weg-Diagramm zwischen Anfangs- und Endposition
Arbeits-Energie-Theorem
Wnet = ΔK = Kf - Ki = ½m·vf² - ½m·vi² Die von allen Kräften (konservativ, nichtkonservativ, extern) geleistete Netzwerkarbeit entspricht einer Änderung der kinetischen Energie
Kinetische Energie (Beziehung zum Impuls)
K = ½·m·v² = p²2m, p = √2m·K Energie, die ein Körper aufgrund seines Bewegungszustandes besitzt
Potenzielle Gravitationsenergie (in Erdnähe)
Ug = m·g·h Potenzielle Energie, die in einer Masse m gespeichert ist, die in einem gleichmäßigen Feld g auf die vertikale Höhe h angehoben wird
Elastische potentielle Energie der Feder (Hookes Gesetz)
Us = ½·k·x², Fspring = -k·x Energie, die gespeichert wird, wenn eine Feder mit der Steifigkeitskonstanten k um x gedehnt/komprimiert wird
Konservative Kraft als negativer Potentialgradient
F = -dUdx, Fvec = -∇U = -(∂U∂x i + ∂U∂y j + ∂U∂z k) Konservative Kräfte zeigen immer in die Richtung des steilsten Abfalls der potentiellen Energie
Mechanische Leistung (Durchschnitt und Momentan)
P = dWdt = F·v·cosθ = F·v Zeitrate, mit der mechanische Arbeit verrichtet oder Energie übertragen wird
Restitutionskoeffizient (Kollisionen)
e = v₂ - v₁u₁ - u₂ = Relative velocity of separationRelative velocity of approach Misst die Elastizität: e=1 (erhaltene kinetische Energie), e=0 (Objekte kleben zusammen)
Endgeschwindigkeiten bei 1D-elastischer Kollision
v₁ = [m₁ - m₂m₁ + m₂]·u₁ + [2m₂m₁ + m₂]·u₂, v₂ = [2m₁m₁ + m₂]·u₁ + [m₂ - m₁m₁ + m₂]·u₂ Exakte Nachkollisionsgeschwindigkeiten für zwei elastisch in einer Dimension kollidierende Massen
Verlust kinetischer Energie bei inelastischem Stoß
ΔKloss = ½·[m₁·m₂m₁ + m₂ ]·(u₁ - u₂)²·(1 - e²) Kinetische Energie wird in interne thermische Verformung und akustische Energie umgewandelt
🔄 Kapitel 4: Rotationsbewegung und Trägheitsmoment
11 Formeln Drehmoment, Drehimpuls, Rotationskinematik, Sätze paralleler/senkrechter Achsen und Rolldynamik
Kapitel 4: Rotationsbewegung und Trägheitsmoment
11 FormelnDrehmoment, Drehimpuls, Rotationskinematik, Sätze paralleler/senkrechter Achsen und Rolldynamik
Schwerpunktkoordinaten
rcm = ∑ mi·ri∑ mi = (1M) ∫ r dm Mittlere Lage der Massenverteilung für diskrete oder kontinuierliche Festkörper
Rotationskinematische Gleichungen
ω = ω₀ + α·t, θ = ω₀·t + ½α·t², ω² = ω₀² + 2α·θ Rotationsäquivalente von SUVAT für konstante Winkelbeschleunigung α
Drehmoment (Kraftmoment)
τ = r × F = r·F·sinθ = I·α = dLdt Rotationsäquivalent der linearen Kraft, die die Winkelbeschleunigung α verursacht
Drehimpuls und Erhaltung
L = r × p = I·ω, τnet = 0 ⟹ L = const Bleibt erhalten, wenn das auf das System wirkende Netto-Außendrehmoment Null ist (z. B. Eiskunstläufer)
Parallelachsensatz (Steiner)
I = Icm + M·d² Trägheitsmoment um jede Achse parallel zur Schwerpunktachse, getrennt durch den Abstand d
Satz der senkrechten Achse (planare Schichten)
Iz = Ix + Iy Gilt ausschließlich für 2D-Planarkörper, die in der xy-Ebene liegen
Gyrationsradius
k = √IM, I = M·k² Effektiver radialer Abstand, bei dem die gesamte Masse konzentriert werden könnte, ohne I zu verändern
Rotationskinetische Energie
Krot = ½·I·ω² Kinetische Energie, die ausschließlich mit dem Rotationsspin um eine feste oder bewegliche Achse verbunden ist
Gesamte kinetische Energie in reiner Rollbewegung
Ktotal = Ktrans + Krot = ½M·vcm² + ½Icm·ω² = ½M·vcm²·(1 +k²R²) Kombinierte translatorische und rotatorische kinetische Energie für reines Rollen ohne Schlupf (v_cm = ωR)
Beschleunigung des Körpers, der die Steigung hinunterrollt
a = g·sinθ1 + IcmM·R² = g·sinθ1 +k²R² Lineare Beschleunigung entlang einer schiefen Ebene mit der Neigung θ (feste Kugel > Scheibe > Ring)
Standardreferenz für Trägheitsmomente
Thin Rod: 112 ML², Ring: MR², Solid Disc: ½MR²,Solid Sphere: 25 MR²,Hollow Sphere: 23 MR² Schwerpunktträgheitsmomente für einheitliche geometrische Standardkörper
🪐 Kapitel 5: Universelle Gravitation und Orbitalmechanik
10 Formeln Newtons universelles Gravitationsgesetz, Gravitationspotential, Fluchtgeschwindigkeit, Umlaufgeschwindigkeit, Keplersche Gesetze und Satellitenbahnen
Kapitel 5: Universelle Gravitation und Orbitalmechanik
10 FormelnNewtons universelles Gravitationsgesetz, Gravitationspotential, Fluchtgeschwindigkeit, Umlaufgeschwindigkeit, Keplersche Gesetze und Satellitenbahnen
Newtons Gesetz der universellen Gravitation
F = G·(M·m)r² Inverse quadratische Anziehung zwischen zwei beliebigen Punktmassen, die durch den Abstand r voneinander getrennt sind
Oberflächengravitationsbeschleunigung
g = G·MR² = (43)·π·G·ρ·R Freie Fallbeschleunigung an der Oberfläche einer Planetenkugel mit der Masse M und dem Radius R
Variation der Schwerkraft mit der Höhe h
gh = g·(RR + h)² ≈ g·(1 -2hR) [for h ≪ R] Abnahme der Erdbeschleunigung mit der Höhe h über der Planetenoberfläche
Variation der Schwerkraft mit der Tiefe d
gd = g·(1 -dR) Lineare Abnahme der Erdbeschleunigung (wird im Zentrum d = R zu Null)
Gravitationspotentialenergie (universell)
U(r) = -G·M·mr Negative gebundene Zustandsenergie mit Referenznullpunkt bei unendlichem Abstand r → ∞
Gravitationspotential V(r)
V(r) = -G·Mr, Eg = -dVdr Arbeit, die geleistet wurde, um die Einheitstestmasse von unendlich auf den Abstand r zu bringen
Fluchtgeschwindigkeit
vesc = √2G·MR = √2g·R Mindestanfangsgeschwindigkeit, die ein antriebsloses Projektil benötigt, um der Schwerkraft des Planeten zu entkommen (~11,2 km/s für die Erde)
Umlaufgeschwindigkeit des Satelliten
vorb = √G·MR + h = vesc√2 (near surface) Für eine stabile Umlaufbahn um den Planeten erforderliche Kreisgeschwindigkeit (~7,92 km/s nahe der Erdoberfläche)
Zeitraum der Satellitenumlaufbahn
T = 2π·(R + h)^(32)√GM = 2π·√r³GM Zeit, die ein Satellit für eine vollständige Umdrehung benötigt (24 Stunden für eine geostationäre Umlaufbahn bei ca. 35.786 km).
Keplers Drittes Gesetz (Harmonisches Gesetz)
T²a³ = 4π²G·M = const Das Quadrat der Umlaufzeit ist streng proportional zur dritten Potenz der großen Halbachse a
🧱 Kapitel 6: Mechanische Eigenschaften von Festkörpern und Elastizität
5 Formeln Hookesches Gesetz, Spannung, Dehnung, Elastizitätsmodul, Volumenmodul, Schermodul, Poissonzahl und elastische Energiedichte
Kapitel 6: Mechanische Eigenschaften von Festkörpern und Elastizität
5 FormelnHookesches Gesetz, Spannung, Dehnung, Elastizitätsmodul, Volumenmodul, Schermodul, Poissonzahl und elastische Energiedichte
Hookesches Gesetz und Elastizitätsmodul
Stress = Y·Strain ⟹ FA = Y·(ΔLL) Linearer Zusammenhang zwischen Zug-/Druckspannung und Längsdehnung innerhalb der Elastizitätsgrenze
Volumenmodul und Kompressibilität
B = - V·(ΔPΔV), K = 1B Widerstand der Substanz gegen gleichmäßige volumetrische Kompression unter hydrostatischem Druck ΔP
Schubmodul (Steifigkeitsmodul)
G = η = FAθ = F·LA·Δx Widerstand gegen tangentiale Scherverzerrung θ ohne Volumenänderung
Poissonzahl
ν = -Lateral StrainLongitudinal Strain = -ΔddΔLL Verhältnis von Querkontraktion zu Längsausdehnung (theoretische Grenzen: -1 < ν < 0,5; praktisch: 0 bis 0,5)
Energiedichte der elastischen Dehnung
u = ½·Stress·Strain = ½·Y·(Strain)² = (Stress)²2Y Pro Volumeneinheit in einem verformten elastischen Material gespeicherte elastische potentielle Energie
💧 Kapitel 7: Strömungsmechanik, Hydrostatik und Viskosität
10 Formeln Hydrostatischer Druck, Auftrieb von Archimedes, Kontinuitätsgleichung, Bernoulli-Theorem, Torricelli-Ausfluss, Stokes-Gesetz, Endgeschwindigkeit und Oberflächenspannung
Kapitel 7: Strömungsmechanik, Hydrostatik und Viskosität
10 FormelnHydrostatischer Druck, Auftrieb von Archimedes, Kontinuitätsgleichung, Bernoulli-Theorem, Torricelli-Ausfluss, Stokes-Gesetz, Endgeschwindigkeit und Oberflächenspannung
Hydrostatischer Druck mit Tiefe
P = P₀ + ρ·g·h Gesamtabsolutdruck in der Tiefe h in einer statischen Flüssigkeit der Dichte ρ
Pascal-Prinzip (hydraulischer Aufzug)
P₁ = P₂ ⟹ F₁A₁ = F₂A₂ Der auf die eingeschlossene inkompressible Flüssigkeit ausgeübte Druck wird unvermindert gleichmäßig übertragen
Das Auftriebsprinzip von Archimedes
FB = ρfluid·Vsubmerged·g = Weight of displaced fluid Auftriebskraft, die dem Gewicht der Flüssigkeit entspricht, die von einem untergetauchten Objekt verdrängt wird
Kontinuitätsgleichung (Erhaltung der Masse)
A₁·v₁ = A₂·v₂ = dVdt = Q (Flow Rate) Bei einem stetigen inkompressiblen Flüssigkeitsfluss bleibt die volumetrische Entladungsrate Q konstant
Satz von Bernoulli (Energieerhaltung)
P + ½·ρ·v² + ρ·g·h = constant Die Summe aus statischem Druck, dynamischem kinetischem Druck und hydrostatischem Potenzial ist entlang einer Stromlinie konstant
Torricellis Gesetz der Effluxgeschwindigkeit
vefflux = √2·g·h Geschwindigkeit der Flüssigkeit, die aus einer Tanköffnung mit kleiner Öffnung in der Tiefe h unter der offenen Oberfläche austritt
Stokessches Gesetz des viskosen Widerstands
Fv = 6π·η·r·v Verzögernde viskose Widerstandskraft, die eine kleine Kugel erfährt, die sich durch eine laminare Flüssigkeit bewegt
Endgeschwindigkeit der fallenden Kugel
vt = 2·r²·(ρ - σ)·g9η Eine stetige konstante Geschwindigkeit wird erreicht, wenn die Schwerkraft gleich der Auftriebskraft + dem viskosen Widerstand ist
Überdruck in Tröpfchen und Blasen
ΔPdrop = 2TR, ΔPbubble = 4TR Young-Laplace-Überdruck im Inneren: Seifenblase hat 2 freie Flüssigkeits-Luft-Grenzflächen
Kapillarer Aufstieg / Depression (Jurins Gesetz)
h = 2T·cosθρ·g·r Höhe Flüssigkeit steigt in einem schmalen Kapillarrohr mit Radius r und Kontaktwinkel θ auf
🌡️ Kapitel 8: Thermophysik und kinetische Theorie von Gasen
7 Formeln Wärmeausdehnung, Kalorimetrie, ideales Gasgesetz, kinetische Drucktheorie, molekulare Geschwindigkeiten (RMS/avg/mp) und molare Wärmekapazitäten
Kapitel 8: Thermophysik und kinetische Theorie von Gasen
7 FormelnWärmeausdehnung, Kalorimetrie, ideales Gasgesetz, kinetische Drucktheorie, molekulare Geschwindigkeiten (RMS/avg/mp) und molare Wärmekapazitäten
Wärmeausdehnung (linear, oberflächlich, volumetrisch)
ΔL = α·L₀·ΔT, ΔA = 2α·A₀·ΔT, ΔV = 3α·V₀·ΔT = γ·V₀·ΔT Bruchteil der Dimensionsausdehnung proportional zum Temperaturanstieg ΔT (β = 2α, γ = 3α)
Spürbare Wärme und latente Wärme des Phasenwechsels
Q = m·c·ΔT, Qphase = m·L Wärme, die erforderlich ist, um die Temperatur zu erhöhen oder einen isothermen Phasenübergang fest/flüssig/gas zu bewirken
Ideale Gaszustandsgleichung
P·V = n·R·T = N·kB·T Stoffgleichung, die Druck, Volumen, Temperatur und Menge eines idealen Gases in Beziehung setzt
Kinetische Theorie des Gasdrucks
P = ⅓·ρ·vrms² = ⅓·(N·mV)·vrms² Mikroskopische statistische Ableitung des makroskopischen Gasdrucks aus molekularen Impulskollisionen
RMS, durchschnittliche und wahrscheinlichste Gasgeschwindigkeiten
vrms = √3RTM, vavg = √8RTπM, vmp = √2RTM Charakteristische Maxwell-Boltzmann-Molekülgeschwindigkeitsverteilungsgeschwindigkeiten (v_rms > v_avg > v_mp)
Innere Energie und Freiheitsgrade
U = (f2)·n·R·T, Ek(per molecule) = (f2)·kB·T Äquipartitionssatz: Jeder quadratische Freiheitsgrad f trägt ½ k_B T pro Molekül bei
Mayer-Relation und Wärmekapazitätsverhältnis γ
Cp - Cv = R, γ = CpCv = 1 + (2f) Beziehung zwischen molaren Wärmekapazitäten bei konstantem Druck (C_p) und konstantem Volumen (C_v)
🔥 Kapitel 9: Thermodynamik und Wärmeübertragung
10 Formeln Erster Hauptsatz der Thermodynamik, thermodynamische Arbeitsprozesse (isotherm, adiabatisch, isobar, isochor), Wirkungsgrad des Carnot-Motors, Stefan-Boltzmann-Gesetz und Wiener Verschiebung
Kapitel 9: Thermodynamik und Wärmeübertragung
10 FormelnErster Hauptsatz der Thermodynamik, thermodynamische Arbeitsprozesse (isotherm, adiabatisch, isobar, isochor), Wirkungsgrad des Carnot-Motors, Stefan-Boltzmann-Gesetz und Wiener Verschiebung
Erster Hauptsatz der Thermodynamik
ΔU = Q - W ⟹ Q = ΔU + W, W = ∫ P dV Energieerhaltung für thermodynamische Systeme (Q in das System, W vom System geleistete Arbeit)
Im isothermen Prozess geleistete Arbeit (T = const, ΔU = 0)
Wiso = n·R·T·ln(VfVi) = n·R·T·ln(PiPf) Quasistatische reversible Expansion/Kompression bei streng konstanter Temperatur
Adiabatischer Prozess und geleistete Arbeit (Q = 0, PV^γ = const)
P·V^γ = const, Wadi = Pi·Vi - Pf·Vfγ - 1 = n·R·(Ti - Tf)γ - 1 Reversibler Prozess ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung (T V^(γ-1) = const)
Isobare (P = const) und isochore (V = const) Arbeit
Wisobaric = P·ΔV = n·R·ΔT, Wisochoric = 0 (since dV = 0) Unter konstantem Druck beträgt die Arbeit die rechteckige Fläche PΔV; Bei konstantem Volumen wird keine Arbeit verrichtet
Carnot-Wärmekraftmaschine mit maximaler Effizienz
η = WoutQin = 1 - (QCQH) = 1 - (TCTH) Theoretische obere thermodynamische Grenze des Wirkungsgrades zwischen den Temperaturen T_H und T_C
Leistungszahl (Kühlschrank / Wärmepumpe)
COPref = QCW = TCTH - TC, COPhp = QHW = THTH - TC Kühl- oder Heizausgangsenergie, die pro Einheit der mechanischen Kompressorarbeitsaufnahme geliefert wird
Wärmeleitung (Fourier-Gesetz)
dQdt = k·A·(TH - TC)L Rate der stationären Wärmeleitung über eine Platte mit der Wärmeleitfähigkeit k und der Dicke L
Stefan-Boltzmann-Gesetz der Wärmestrahlung
P = e·σ·A·(T⁴ - T₀⁴) Nettostrahlungsleistung, die von einem grauen Körper mit dem Emissionsgrad e bei T₀ in die Umgebung abgestrahlt wird
Wiensches Verschiebungsgesetz (Spitzenwellenlänge)
λmax·T = b = 2.89777 × 10⁻³ m·K Die Spitzenemissionswellenlänge des Schwarzkörperspektrums ist umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur
Newtons Gesetz der Abkühlung
dTdt = -k·(T - Tenv) ⟹ T(t) = Tenv + (T0 - Tenv)·e^(-kt) Der Wärmeverlust durch Konvektion/Strahlung ist proportional zur Übertemperatur gegenüber der Umgebungstemperatur
⏳ Kapitel 10: Einfache harmonische Bewegung und Schwingungen
8 Formeln Kinematik von SHM, einfaches Pendel, Feder-Masse-Systeme, Serien-/Parallelfedern, physikalisches Pendel, Gesamtenergie und gedämpfte Schwingungen
Kapitel 10: Einfache harmonische Bewegung und Schwingungen
8 FormelnKinematik von SHM, einfaches Pendel, Feder-Masse-Systeme, Serien-/Parallelfedern, physikalisches Pendel, Gesamtenergie und gedämpfte Schwingungen
Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung in SHM
x = A·sin(ωt + φ), v = dxdt = ω·√A² - x², a = d²xdt² = -ω²·x Grundlegende Kinematik des linearen SHM mit definierender Wiederherstellungsbedingung a ∝ -x
Zeitspanne des einfachen Pendels (kleine Winkel)
T = 2π·√Lg, f = (12π)·√gL Periode des Pendels der Länge L im gleichmäßigen Gravitationsfeld g (unabhängig von der Pendelmasse m)
Zeitspanne des Feder-Masse-Oszillators
T = 2π·√mk, ω = √km Schwingungsdauer der Blockmasse m auf einer horizontalen oder vertikalen reibungsfreien Feder der Steifigkeit k
Federkombinationen (seriell und parallel)
1kseries = 1k₁+1k₂, kparallel = k₁ + k₂ Äquivalente Federsteifigkeit für mehrere in Reihe oder parallel gekoppelte Federn
Physikalische (zusammengesetzte) Pendelperiode
T = 2π·√Im·g·d = 2π·√kg² + d²g·d Schwingung eines beliebigen starren Körpers, der im Abstand d von seinem Massenschwerpunkt geschwenkt wird
Torsionspendelperiode
T = 2π·√Iκ, τ = -κ·θ Rotationsschwingung einer von einem Draht getragenen Scheibe mit der Torsionssteifigkeitskonstanten κ
Gesamte mechanische Energie in SHM
E = K + U = ½m·v² + ½k·x² = ½k·A² = ½m·ω²·A² Die gesamte mechanische Energie bleibt streng konstant und wechselt zwischen kinetischer und potentieller Form
Gedämpfter harmonischer Oszillator
x(t) = A₀·e^(-γt)·cos(ω't + φ), ω' = √ω₀² - γ², γ = b2m Die Amplitude nimmt exponentiell mit dem Dämpfungsfaktor γ unter dem viskosen Widerstand F = -bv ab
🔊 Kapitel 11: Wellenbewegung, Klang und Akustik
9 Formeln Wellengleichung, Wellengeschwindigkeit auf Saiten, Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten/Gasen, Dezibel-Intensitätsskala, stehende Wellen in Rohren/Saiten, Schwebungen und Doppler-Effekt
Kapitel 11: Wellenbewegung, Klang und Akustik
9 FormelnWellengleichung, Wellengeschwindigkeit auf Saiten, Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten/Gasen, Dezibel-Intensitätsskala, stehende Wellen in Rohren/Saiten, Schwebungen und Doppler-Effekt
Harmonische Wanderwellengleichung
y(x, t) = A·sin(k·x ∓ ω·t + φ), k = 2πλ, ω = 2π·f Quer- oder Längsverschiebung des Mediums an der Koordinate x und zum Zeitpunkt t (- für +x-Richtung)
Wellengeschwindigkeitsverhältnis
v = f·λ = ωk = λT Grundlegende Geschwindigkeitsbeziehung zwischen räumlicher Wellenlänge und zeitlicher Frequenz
Geschwindigkeit der Querwelle auf gedehnter Saite
v = √Ttensionμ, μ = mL (Linear mass density) Ausbreitungsgeschwindigkeit auf einer gespannten Saite, bestimmt durch die Spannung T und die Masse pro Längeneinheit μ
Schallgeschwindigkeit im idealen Gas (Laplace-Formel)
vsound = √γ·Pρ = √γ·R·TM Adiabatische Schallwellengeschwindigkeit in Gas bei der Temperatur T (~343 m/s in Luft bei 20 °C)
Schallintensitätspegel (Dezibel-Skala)
β = 10·log₁₀(II₀), I₀ = 10⁻¹² Wm² Logarithmische Dezibelskala relativ zur menschlichen Hörschwelle I₀
Stehende Wellen (feste Saite und offene Pfeife)
fn = n·(v2L) = n·f₁ (n = 1, 2, 3, 4...) Harmonische Frequenzen für eine an beiden Enden befestigte Saite oder eine an beiden Enden offene Orgelpfeife (alle Harmonischen vorhanden)
Stehende Wellen in einem an einem Ende geschlossenen Rohr
fn = (2n - 1)·(v4L) (n = 1, 2, 3... ⟹ 1f₁, 3f₁, 5f₁...) Resonanzfrequenzen in einem an einem Ende geschlossenen Rohr (unterstützt nur ungerade Harmonische: 1., 3., 5. ...)
Schlagfrequenz
fbeat = |f₁ - f₂| Periodische konstruktive/destruktive Intensitätsmodulation, wenn sich zwei Wellen mit nahe beieinander liegenden Frequenzen überlagern
Doppler-Effekt für Schallwellen
f' = f·[v ± vobserverv ∓ vsource ] Scheinbare Frequenzverschiebung aufgrund der relativen Bewegung von Beobachter (v_o) und Quelle (v_s) durch das Medium
⚡ Kapitel 12: Elektrostatik und Kapazität
11 Formeln Coulombsches Gesetz, elektrisches Feld, elektrisches Potential, elektrischer Dipol, Gaußsches Gesetz, Kapazität, Reihen-/Parallelkondensatoren und Feldenergiedichte
Kapitel 12: Elektrostatik und Kapazität
11 FormelnCoulombsches Gesetz, elektrisches Feld, elektrisches Potential, elektrischer Dipol, Gaußsches Gesetz, Kapazität, Reihen-/Parallelkondensatoren und Feldenergiedichte
Coulombsches Gesetz der elektrostatischen Kraft
F = (14πε₀)·(|q₁·q₂|r²) = ke·(|q₁·q₂|r²) Inverse quadratische elektrostatische Anziehung oder Abstoßung zwischen zwei stationären Punktladungen
Elektrisches Feld der Punktladung
E = Fq₀ = (14πε₀)·(qr²)·r̂ Kraft, die pro Einheit positiver Testladung q₀ im elektrischen Feld auftritt
Elektrisches Potenzial und Beziehung zum Feld
V = (14πε₀)·(qr), E = -dVdr = -∇V Arbeit, die geleistet wird, um die positive Testladung der Einheit ohne Beschleunigung von unendlich auf die Distanz r zu bringen
Elektrostatische potentielle Energie des Ladungspaares
U = (14πε₀)·(q₁·q₂)r In der Konfiguration zweier durch den Abstand r getrennter Ladungen gespeicherte Energie (positiv für gleich, negativ für ungleich)
Elektrisches Dipolmoment, Drehmoment und potentielle Energie
p = q·2a, τ = p × E = p·E·sinθ, U = - p·E = - p·E·cosθ Dipolvektor zeigt von negativer zu positiver Ladung; richtet sich nach dem externen Feld E
Gaußsches Gesetz der Elektrostatik
ΦE = ∮ E·dA = Qenclosedε₀ Der gesamte elektrische Fluss durch eine geschlossene Gaußsche Oberfläche entspricht der eingeschlossenen Ladung dividiert durch ε₀
Elektrisches Feld der Linienladung und des unendlichen Blattes
Eline = λ2πε₀·r, Esheet = σ2ε₀, Econd = σε₀ Abgeleitet vom Gaußschen Gesetz für die gleichmäßige lineare Ladungsdichte λ und Oberflächenladungsdichte σ
Kapazität des Parallelplattenkondensators
C = κ·ε₀·Ad Kapazität proportional zur Plattenfläche A und Dielektrizitätskonstante κ; umgekehrt proportional zur Trennung d
Kondensatoren in Reihen- und Parallelkombinationen
1Cseries = 1C₁+1C₂+ ..., Cparallel = C₁ + C₂ + ... In Reihe: Ladung Q ist über alle Kondensatoren hinweg identisch; parallel: Spannung V ist identisch
Im Kondensator gespeicherte elektrostatische Energie
U = ½·C·V² = Q²2C = ½·Q·V Im elektrischen Feld zwischen Kondensatorplatten gespeicherte Energie, die auf die Potenzialdifferenz V aufgeladen ist
Energiedichte des elektrischen Feldes
uE = ½·ε₀·E² Elektrostatische Energie, die pro Volumeneinheit des vom elektrischen Feld E eingenommenen Raums gespeichert wird
🔌 Kapitel 13: Aktuelle Strom- und Gleichstromkreise
9 Formeln Driftgeschwindigkeit, Ohmsches Gesetz, spezifischer Widerstand, Temperaturabhängigkeit, Kirchhoffsche Gesetze (KCL/KVL), Wheatstone-Brücke, Innenwiderstand und RC-Schaltungen
Kapitel 13: Aktuelle Strom- und Gleichstromkreise
9 FormelnDriftgeschwindigkeit, Ohmsches Gesetz, spezifischer Widerstand, Temperaturabhängigkeit, Kirchhoffsche Gesetze (KCL/KVL), Wheatstone-Brücke, Innenwiderstand und RC-Schaltungen
Elektrischer Strom und Driftgeschwindigkeit
I = n·e·A·vd, vd = e·E·τm Setzt den makroskopischen Strom I mit der mikroskopischen Elektronendriftgeschwindigkeit v_d und der Relaxationszeit τ in Beziehung
Stromdichte und mikroskopisches Ohmsches Gesetz
j = IA = σ·E = Eρ, σ = 1ρ = n·e²·τm Vektorform des Ohmschen Gesetzes, das die Stromdichte j mit dem elektrischen Feld E und der Leitfähigkeit σ verbindet
Widerstand, spezifischer Widerstand und Temperaturkoeffizient
R = ρ·(LA), R(T) = R₀·[1 + α·(T - T₀)] Widerstand skaliert mit Länge und Temperatur; umgekehrt mit der Querschnittsfläche A
Ohmsches Gesetz und elektrische Verlustleistung
V = I·R, P = V·I = I²·R = V²R, H = I²·R·t Joulesches Wärmegesetz: elektrische Leistung, die in einem Widerstand R als Wärme abgegeben wird
Widerstände in Reihe und parallel
Rseries = R₁ + R₂ + ...,1Rparallel = 1R₁+1R₂+ ... Äquivalente Widerstandsregeln für die Kombination von Netzwerkelementen
Elektromotorische Kraft und Innenwiderstand der Zelle
V = Eemf - I·r, I = EemfR + r Die Klemmenspannung V ist aufgrund des Innenwiderstands r während der Entladung kleiner als die Leerlauf-EMK ℰ
Kirchhoffs Strom- und Spannungsgesetze (KCL und KVL)
KCL (Junction): ∑ Iin = ∑ Iout, KVL (Loop): ∑ ΔV = ∑ Eemf - ∑ I·R = 0 KCL steht für Ladungserhaltung; KVL steht für die Erhaltung elektrostatischer Energie in geschlossenen Kreisläufen
Gleichgewichtszustand der Wheatstone-Brücke
R₁R₂ = R₃R₄ ⟹ Igalvanometer = 0 Wird in Messgeräten und Postfächern zur Präzisionsmessung unbekannter Widerstände verwendet
Transient beim Laden und Entladen des RC-Schaltkreises
Charging: q(t) = Q₀·(1 - e^(-tRC)), Discharging: q(t) = Q₀·e^(-tRC), τ = R·C Der Kondensator lädt sich in einer Zeitkonstante τ = RC auf 63,2 % des maximalen Q₀ auf (entlädt sich auf 36,8 %).
🧲 Kapitel 14: Magnetismus, Biot-Savart- und Lorentz-Kraft
10 Formeln Magnetische Lorentzkraft, Stromdrahtkraft, Zyklotronradius, Biot-Savart-Gesetz, gerades Drahtfeld, Magnet/Toroid, Parallelströme und magnetisches Dipoldrehmoment
Kapitel 14: Magnetismus, Biot-Savart- und Lorentz-Kraft
10 FormelnMagnetische Lorentzkraft, Stromdrahtkraft, Zyklotronradius, Biot-Savart-Gesetz, gerades Drahtfeld, Magnet/Toroid, Parallelströme und magnetisches Dipoldrehmoment
Magnetische Lorentzkraft auf bewegte Ladung
FB = q·(v × B) = q·v·B·sinθ Senkrechte Ablenkkraft, die auf eine sich bewegende Ladung im Magnetfeld wirkt (keine geleistete Arbeit)
Gesamte kombinierte Lorentzkraft (E + B-Felder)
Ftotal = q·(E + v × B) Überlagerte Kraft in gleichzeitigen elektrischen und magnetischen Feldern (Geschwindigkeitswähler: v = E/B)
Magnetische Kraft auf stromführende Leiter
F = I·(L × B) = I·L·B·sinθ Kraft auf einen geraden, vom Strom I durchflossenen Draht der Länge L, platziert im gleichmäßigen Feld B
Zyklotron-Umlaufbahnradius und -frequenz
r = m·vq·B, f = q·B2π·m, T = 2π·mq·B Spiral-/Kreisbahnparameter geladener Teilchen im transversalen Magnetfeld (Frequenz ist geschwindigkeitsunabhängig)
Biot-Savart-Gesetz der Magnetostatik
dB = (μ₀4π)·[I·dl × r̂r²] = μ₀·I·dl·sinθ4π·r² Infinitesimales Magnetfeld, das vom Stromelement I dl im Abstand r erzeugt wird
Magnetfeld eines langen geraden Drahtes
B = μ₀·I2π·r Konzentrisches kreisförmiges Magnetfeld im radialen Abstand r von einem unendlich langen geraden Draht
Magnetfeld der kreisförmigen Schleife (Mitte und Achse)
Bcenter = μ₀·N·I2R, Baxis = μ₀·N·I·R²[2·(R² + x²)^(32)] Magnetfeld, das von einer kreisförmigen Spule mit N Windungen mit dem Radius R im Abstand x entlang der Achse erzeugt wird
Ampères Schaltkreisgesetz und Magnetfeld
∮ B·dl = μ₀·Iencl, Bsolenoid = μ₀·n·I (n = NL) Gleichmäßiges internes axiales Magnetfeld in einem eng gewickelten Magneten mit n Windungen pro Längeneinheit
Kraft zwischen zwei parallelen stromführenden Drähten
FL = μ₀·I₁·I₂2π·d Anziehungskraft für parallele Ströme in gleicher Richtung; abstoßend für antiparallele Ströme (SI-Ampere-Definition)
Magnetisches Dipolmoment und Drehmoment in der Stromschleife
M = N·I·A, τ = M × B = N·I·A·B·sinθ, U = - M·B Funktionsprinzip von Moving-Coil-Galvanometern, Gleichstrommotoren und atomaren magnetischen Momenten
⚡ Kapitel 15: Elektromagnetische Induktion und Wechselstromkreise
10 Formeln Faradaysches Gesetz, Lenzsches Gesetz, Bewegungs-EMF, Selbst-/Gegeninduktivität, magnetische Energiedichte, Effektivwerte, Impedanz in LCR-Schaltkreisen, Resonanz und Transformatoren
Kapitel 15: Elektromagnetische Induktion und Wechselstromkreise
10 FormelnFaradaysches Gesetz, Lenzsches Gesetz, Bewegungs-EMF, Selbst-/Gegeninduktivität, magnetische Energiedichte, Effektivwerte, Impedanz in LCR-Schaltkreisen, Resonanz und Transformatoren
Faradaysches Gesetz der elektromagnetischen Induktion und Lenzsches Gesetz
Eind = - N·(dΦBdt), ΦB = B·A = B·A·cosθ Die induzierte elektromotorische Kraft entspricht der negativen zeitlichen Änderungsrate des Magnetflusses durch die Schleife (Lenz widerspricht der Ursache)
Bewegungs-EMF im bewegten Leiter
Emotional = B·L·v·sinθ EMF, die über die Enden eines leitenden Stabs der Länge L induziert wird, der sich mit der Geschwindigkeit v über das Feld B bewegt
Selbstinduktivität und gegenseitige Induktivität
Eself = - L·(dIdt), Emutual = - M·(dI₁dt), Lsolenoid = μ₀·n²·A·l Widerstand gegen Stromänderungen in einer Spule (selbst) oder einer gekoppelten benachbarten Spule (gegenseitig)
Magnetische Energie in Induktor und Energiedichte
UB = ½·L·I², uB = B²2μ₀ Potenzielle Energie, die im Magnetfeld gespeichert ist, das in einem unter Spannung stehenden Induktor entsteht
RMS- und Spitzenwerte von Wechselstrom/-spannung
Vrms = V₀√2 ≈ 0.707 V₀, Irms = I₀√2 ≈ 0.707 I₀ Effektiver äquivalenter Gleichstrom-Heizwert für sinusförmige Wechselspannung und -strom
Induktive und kapazitive Reaktanz
XL = ω·L = 2π·f·L, XC = 1ω·C = 12π·f·C Frequenzabhängiger Wechselstromwiderstand zum Stromfluss durch Induktivitäten und Kondensatoren
Impedanz und Phasenwinkel des Serien-LCR-Schaltkreises
Z = √[ R² + (XL - XC)² ], tanφ = XL - XCR Gesamter kombinierter elektrischer Wechselstromimpedanz-Oppositionsvektor in Reihenschaltungen R-L-C
Resonanzfrequenz und Qualitätsfaktor Q der LCR-Schaltung
f₀ = 12π·√L·C, Q = ω₀·LR = (1R)·√LC Resonanzbedingung X_L = X_C, bei der die Schaltkreisimpedanz das absolute Minimum Z = R erreicht und der Strom maximiert ist
AC-Wirkleistung und Leistungsfaktor
Pavg = Vrms·Irms·cosφ, Power Factor: cosφ = RZ Tatsächlich verbrauchte Leistung in Watt (reine Blindstromkreise mit cosφ = 0 verbrauchen im Durchschnitt null Wattleistung)
Übersetzungsverhältnis und Wirkungsgrad des Transformators
VsVp = NsNp = IpIs = k, η = PoutPin = Vs·IsVp·Ip Aufwärts- (k > 1) oder Abwärtstransformation (k < 1) gegenseitige Wechselspannungstransformation zur Erhaltung der Leistung
⚛️ Kapitel 16: Optik, Quanten- und moderne Kernphysik
12 Formeln Spiegel-/Linsengleichungen, Snelliussches Gesetz, Youngscher Doppelspalt, photoelektrischer Effekt, De-Broglie-Materiewellen, Bohr-Atom, radioaktiver Zerfall und Masse-Energie-Relativität
Kapitel 16: Optik, Quanten- und moderne Kernphysik
12 FormelnSpiegel-/Linsengleichungen, Snelliussches Gesetz, Youngscher Doppelspalt, photoelektrischer Effekt, De-Broglie-Materiewellen, Bohr-Atom, radioaktiver Zerfall und Masse-Energie-Relativität
Formel und Vergrößerung für sphärische Spiegel
1f = 1v+1u, m = -vu = hiho Setzt Brennweite f, Bildabstand v und Objektabstand u mit der standardmäßigen kartesischen Vorzeichenkonvention in Beziehung
Snelliussches Gesetz der Brechung und Totalreflexion
n₁·sinθ₁ = n₂·sinθ₂, sin(θc) = n₂n₁ (for n₁ > n₂) Ablenkung des Lichtstrahls über optische Grenzen und kritischen Winkel θ_c für vollständige interne Reflexion
Formel des Linsenherstellers und Gleichung für dünne Linsen
1f = (n - 1)·(1R₁-1R₂),1f = 1v-1u, P = 1f(m) Berechnet die optische Leistung P in Dioptrien (D = m⁻¹) aus dem Brechungsindex n und den Krümmungsradien R₁, R₂
Youngs Doppelspaltinterferenzstreifenbreite
β = λ·Dd, yn(bright) = n·(λ·Dd), yn(dark) = (2n - 1)·(λ·D2d) Räumlicher Streifenabstand β zwischen aufeinanderfolgenden Interferenzstreifen auf einem Bildschirm im Abstand D
Einsteins photoelektrische Gleichung
Ephoton = h·f = Φ₀ + Kmax = h·f₀ + e·Vs Die Photonenenergie hf überwindet die Metallaustrittsarbeit Φ₀ und verleiht maximale kinetische Energie K_max
De Broglie-Wellenlänge von Materiewellen
λ = hp = hm·v = h√2m·K = h√2m·q·V Welle-Teilchen-Dualität: Jedem bewegten Teilchen ist eine Quanten-de-Broglie-Wellenlänge zugeordnet
Bohrs Wasserstoff-Atommodell (Energie und Radius)
rn = n²·h²·ε₀π·m·e² = 0.529·n² Å, En = -13.6n² eV Quantisierte Elektronenbahnradien r_n und gebundene stationäre Energiezustände E_n für wasserstoffähnliche Atome
Rydberg-Formel für Wasserstoff-Spektralreihen
1λ = RH·[1n₁²-1n₂²] (Lyman n₁ = 1, Balmer n₁ = 2, Paschen n₁ = 3) Berechnet die Wellenlängen der Emissions-/Absorptionsspektrallinien in Atomübergängen (n₂ > n₁)
Massendefekt und nukleare Bindungsenergie
Δm = [Z·mp + (A - Z)·mn] - Mnucleus, Eb = Δm·c² = Δm(amu) × 931.5 MeV Energie, die benötigt wird, um einen Atomkern in seine einzelnen Protonen und Neutronen zu zerlegen
Gesetz und Halbwertszeit des radioaktiven Zerfalls
N(t) = N₀·e^(-λt), Thalf = ln(2)λ ≈ 0.693λ, A = λ·N Statistische Zerfallsrate instabiler Radionuklide (Aktivität gemessen in Becquerels Bq = Zerfälle/s)
Einsteins Masse-Energie-Äquivalenz und relativistische Energie
E = m·c² = γ·m₀·c², E² = (p·c)² + (m₀·c²)² Invariante Vier-Impuls-Energiebeziehung, die die gesamte relativistische Energie E, den Impuls p und die Ruhemasse m₀ verbindet
Relativistische Zeitdilatation und Längenkontraktion
Δt = γ·Δt₀ = Δt₀√1 -v²c², L = L₀γ = L₀·√1 -v²c² Bewegte Uhren laufen langsamer (Zeitdilatation); Bewegte Stäbe werden in Bewegungsrichtung verkürzt (Längenkontraktion)
Vollständige Chemie-Sammlung
Ideale & reale Gasgesetze, chemische Thermodynamik, Geschwindigkeitsgesetze, Nernst-Gleichung, pH-Werte und Kernzerfall.
🧪 Kapitel 1: Mole-Konzept, Stöchiometrie und Konzentrationsbegriffe
10 Formeln Quantitative Masse-Mol-Umrechnungen, Avogadro-Beziehung, Molarität, Molalität, Normalität, ppm und Reaktionsausbeuten
Kapitel 1: Mole-Konzept, Stöchiometrie und Konzentrationsbegriffe
10 FormelnQuantitative Masse-Mol-Umrechnungen, Avogadro-Beziehung, Molarität, Molalität, Normalität, ppm und Reaktionsausbeuten
Mole-Konzept, Probenmasse und Partikelanzahl
n = mM = NNA Grundlegende Beziehung zur Umrechnung zwischen Probenmasse, Mol und Elementarteilchen
Molares Gasvolumen bei STP
V = n·Vm = n·22.414 L Volumen, das ein Mol eines beliebigen idealen Gases bei Standardtemperatur und -druck einnimmt
Molarität (molare Konzentration)
M = nsoluteVsolution = wB × 1000MB × VmL Anzahl der gelösten Mole pro Liter Lösungsvolumen
Molalität (temperaturunabhängige Konzentration)
m = nsoluteWsolvent = wB × 1000MB × WA Mol gelöster Stoff pro Kilogramm reines Lösungsmittel; variiert nicht mit thermischen Temperaturänderungen
Normalität und Äquivalentgewicht
N = wB × 1000EB × VmL = M·nfactor Grammäquivalente Konzentration pro Liter; Der n-Faktor steht für Säure, Basizität oder Wertigkeitsänderung
Molenbruch- und Summationsgesetz
XA = nAnA + nB, XA + XB = 1 Dimensionsloses Verhältnis der Mole der Komponenten zu den Mole der Gesamtlösung
Massenprozent (% w/w) und Teile pro Million (ppm)
%(ww) = (wsolutewtotal) × 100, ppm = (wsolutewtotal) × 10⁶ Spurenkonzentrationsmetriken, die häufig bei Wassertests und atmosphärischen Analysen verwendet werden
Formel zur volumetrischen Lösungsverdünnung
M₁·V₁ = M₂·V₂, N₁·V₁ = N₂·V₂ Erhaltung der gelösten Stoffmole während der Lösungsmittelverdünnung vom Anfangs- zum Endvolumen
Prozentuale Ausbeute der chemischen Reaktion
% Yield = (Actual YieldTheoretical Yield) × 100 Verhältnis des experimentell erhaltenen Produkts zum stöchiometrischen Maximum des limitierenden Reaktanten
Empirischer bis molekularer Formelmultiplikator
n = MmolecularMempirical, Molecular Formula = (Empirical Formula)n Ganzzahliger Multiplikator, der das einfachste ganzzahlige Atomverhältnis zur tatsächlichen Summenformel skaliert
⚛️ Kapitel 2: Atomstruktur, Quantenmechanik und Radioaktivität
8 Formeln Bohr-Modellbahnen, Rydberg-Spektralübergänge, De-Broglie-Welle-Teilchen-Dualität, Heisenberg-Prinzip und Zerfallskinetik
Kapitel 2: Atomstruktur, Quantenmechanik und Radioaktivität
8 FormelnBohr-Modellbahnen, Rydberg-Spektralübergänge, De-Broglie-Welle-Teilchen-Dualität, Heisenberg-Prinzip und Zerfallskinetik
Planck-Einstein-Photonenenergiebeziehung
E = h·ν = h·cλ = h·c·νbar Quantisierte Energie, die von einem elektromagnetischen Photon der Frequenz ν und der Wellenlänge λ getragen wird
Bohrs wasserstoffähnlicher Atombahnradius
rn = n²·h²·ε₀π·m·Z·e² = 0.529·(n²Z) Å Quantisierter Umlaufradius von Wasserstoffatomen mit der Kernordnungszahl Z
Bohrs elektronische Energieniveaus
En = -13.6·(Z²n²) eV = -2.18 × 10⁻¹⁸·(Z²n²) J Quantisierte Gesamtbindungsenergie des gebundenen Elektrons in der n-ten Hauptschale
Rydberg-Emissionsspektrumgleichung
1λ = RH·Z²·(1n₁²-1n₂²) Spektrale Übergangswellenlängen werden vorhergesagt (Lyman n₁=1, Balmer n₁=2, Paschen n₁=3, Brackett n₁=4, Pfund n₁=5)
de Broglie Materiewellenlänge
λ = hp = hm·v = h√2·m·Ek = h√2·m·q·V Welle-Teilchen-Dualismus, der zeigt, dass sich bewegende Teilchen eine Wellenlänge aufweisen, die umgekehrt proportional zum Impuls ist
Heisenbergs Unsicherheitsprinzip
Δx·Δp ≥ h4π, ΔE·Δt ≥ h4π Grundlegende Quantengrenze für die gleichzeitige Präzision von Ort und konjugiertem Impuls
Einsteins photoelektrische kinetische Energiegleichung
h·ν = Φ + Kmax = h·ν₀ + ½·m·vmax² Energieerhaltung bei Photonenabsorption und Photoelektronenemission
Gesetz und Halbwertszeit des nuklearen radioaktiven Zerfalls
N(t) = N₀·e^(-λ·t), t½ = ln(2)λ = 0.693λ Spontane Kernzerfallsrate erster Ordnung und radioaktive Halbwertszeit
💨 Kapitel 3: Gasförmiger Zustand und kinetische Molekültheorie
8 Formeln Ideale Gasbeziehungen, Dalton-Partialdrücke, Graham-Effusion, Molekülgeschwindigkeiten und reale Van-der-Waals-Gase
Kapitel 3: Gasförmiger Zustand und kinetische Molekültheorie
8 FormelnIdeale Gasbeziehungen, Dalton-Partialdrücke, Graham-Effusion, Molekülgeschwindigkeiten und reale Van-der-Waals-Gase
Ideales Gasgesetz und Gasdichtebeziehung
P·V = n·R·T, P·M = ρ·R·T Zustandsgleichung des idealen Gasverbindungsdrucks, -volumens, -temperatur und -dichte
Kombiniertes Gasgesetz (Boyle, Charles, Gay-Lussac)
P₁·V₁T₁ = P₂·V₂T₂ Vereinheitlicht die Gasgesetze von Boyle (PV=k), Charles (V/T=k) und Gay-Lussac (P/T=k).
Daltons Partialdruckgesetz
Ptotal = PA + PB + PC, PA = XA·Ptotal Der Gesamtdruck in einem nicht reagierenden Gasgemisch entspricht der Summe der einzelnen Partialdrücke
Grahams Gesetz der Diffusion und Effusion
r₁r₂ = √M₂M₁ = √ρ₂ρ₁ = V₁t₁V₂t₂ Die Geschwindigkeit der Gasemission/-diffusion durch ein poröses Loch ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Molmasse
RMS, durchschnittliche und wahrscheinlichste molekulare Geschwindigkeiten
urms = √3RTM, uavg = √8RTπM, ump = √2RTM Geschwindigkeitsverhältnisse der Maxwell-Boltzmann-Verteilung: u_mp : u_avg : u_rms = 1 : 1,128 : 1,224 = √2 : √(8/π) : √3
Kinetische Gasenergie und mittlere kinetische Energie
Ek,total = (32)·n·R·T, Ek,molecule = (32)·kB·T Die gesamte kinetische Translationsenergie und die pro Molekül hängen rein von der absoluten Temperatur ab
Van-der-Waals-Gleichung für reale Gase
(P +a·n²V²)·(V - n·b) = n·R·T Korrigiert das ideale Gasgesetz für intermolekulare Anziehungskräfte (a) und ausgeschlossenes endliches Molekülvolumen (b)
Kompressibilitätsfaktor und kritische Konstanten
Z = P·VmR·T, Tc = 8a27Rb, Pc = a27b², Vc = 3b Misst die Abweichung vom Idealverhalten (Z=1). Oberhalb der kritischen Temperatur T_c kann Gas nicht verflüssigt werden
🔥 Kapitel 4: Chemische Thermodynamik und Thermochemie
9 Formeln Erstes Gesetz, Hess-Gesetz, Bindungsenergien, Entropieänderungen, freie Gibbs-Energie und Gleichgewichtskopplung
Kapitel 4: Chemische Thermodynamik und Thermochemie
9 FormelnErstes Gesetz, Hess-Gesetz, Bindungsenergien, Entropieänderungen, freie Gibbs-Energie und Gleichgewichtskopplung
Erster Hauptsatz der Thermodynamik und Expansionsarbeit
ΔU = q + w, w = -Pext·ΔV = -∫ Pext dV IUPAC-Konvention: Die am System geleistete Arbeit ist positiv (+), die vom System geleistete Arbeit ist negativ (-).
Reversible isotherme Arbeit des idealen Gases
wrev = -n·R·T·ln(V₂V₁) = -2.303·n·R·T·log(P₁P₂) Maximal mögliche thermodynamische Arbeit, die bei langsamer quasistatischer isothermer Expansion erzielt wird
Enthalpiedefinition und gasförmige Molebeziehung
H = U + P·V ⟹ ΔH = ΔU + Δng·R·T Verbindet Reaktionswärme bei konstantem Druck (ΔH = q_p) und konstantem Volumen (ΔU = q_v)
Molare Wärmekapazitäten und Mayer-Relation
Cp - Cv = R, γ = CpCv, ΔH = n·Cp·ΔT, ΔU = n·Cv·ΔT Spezifische Wärmekapazitätsbeziehungen für einatomige (γ=1,66), zweiatomige (γ=1,40) und mehratomige Gase
Standardreaktionsenthalpie aus Bildungsenthalpien
ΔHrxn° = ∑ νp·ΔHf°(products) - ∑ νr·ΔHf°(reactants) Berechnet die Standardreaktionsenthalpie (ΔH_f° reiner Elemente in Standardzuständen ist Null)
Reaktionsenthalpie aus Bindungsdissoziationsenergien
ΔHrxn = ∑ Bond Energy(broken in reactants) - ∑ Bond Energy(formed in products) Nähert sich den gasförmigen Reaktionsenthalpien anhand der durchschnittlichen Dissoziationsenergien kovalenter Bindungen
Kirchhoffs Temperatur-Enthalpie-Gesetz
ΔHT2 = ΔHT1 + ΔCp·(T₂ - T₁) Bewertet die Reaktionswärme bei unterschiedlichen Temperaturen, wenn die Wärmekapazitäten bekannt sind
Gibbs-Kriterium für freie Energie und Spontaneität
ΔG = ΔH - T·ΔS Bestimmt die thermodynamische Reaktionsrichtung bei konstanter Temperatur und konstantem Druck
Standardmäßige freie Energie und konstante Gleichgewichtskopplung
ΔG° = -R·T·ln(Keq) = -2.303·R·T·log(Keq) Grundlegender Zusammenhang zwischen chemischen thermodynamischen Potentialen und makroskopischen Gleichgewichtskonstanten
⚖️ Kapitel 5: Chemisches Gleichgewicht und Le-Chatelier-Prinzip
5 Formeln Massenwirkungsgesetz, Kc- und Kp-Beziehungen, Reaktionsquotient Q, Dissoziationsgrad und Van-t-Hoff-Gleichung
Kapitel 5: Chemisches Gleichgewicht und Le-Chatelier-Prinzip
5 FormelnMassenwirkungsgesetz, Kc- und Kp-Beziehungen, Reaktionsquotient Q, Dissoziationsgrad und Van-t-Hoff-Gleichung
Gesetz der Massenwirkungsgleichgewichtskonstanten (Kc und Kp)
Kc = [C]^c·[D]^d[A]^a·[B]^b, Kp = PC^c·PD^dPA^a·PB^b Verhältnis der Produktkonzentrationen zu den Reaktantenkonzentrationen, erhöht auf stöchiometrische Potenzen im Gleichgewicht
Beziehung zwischen Kp und Kc
Kp = Kc·(R·T)^(Δng) Bezieht sich auf Druck- und Konzentrationsgleichgewichtskonstanten; wenn Δn_g = 0, dann ist K_p = K_c
Reaktionsquotient (Q) und Richtungskriterium
Qc = [C]^c·[D]^d[A]^a·[B]^b Berechnet das Nichtgleichgewichts-Momentanverhältnis, um die spontane Richtung in Richtung Gleichgewicht vorherzusagen
Van 't Hoff Temperatur-Gleichgewichts-Isochore
ln(K₂K₁) = (ΔH°R)·(1T₁-1T₂) Prognostiziert Verschiebungen der Gleichgewichtskonstanten mit der Temperatur (K steigt mit T für endothermes ΔH > 0)
Dissoziationsgrad (α) aus der Dampfdichte
α = D - d(n - 1)·d = Mtheoretical - Mobserved(n - 1)·Mobserved Anteil der anfänglichen Moleküle, die im Gleichgewicht dissoziiert sind, wobei n Mol Produkte pro Mol Reaktant ist
🧪 Kapitel 6: Ionengleichgewicht, Säuren, Basen und Puffer
6 Formeln Ostwald-Verdünnung, pH-Skalen, Henderson-Hasselbalch-Puffergleichungen, Salzhydrolyse und Ksp-Löslichkeitsprodukt
Kapitel 6: Ionengleichgewicht, Säuren, Basen und Puffer
6 FormelnOstwald-Verdünnung, pH-Skalen, Henderson-Hasselbalch-Puffergleichungen, Salzhydrolyse und Ksp-Löslichkeitsprodukt
Ostwalds Verdünnungsgesetz für schwache Elektrolyte
Ka = C·α²1 - α ≈ C·α² ⟹ α = √KaC Gültig für schwache Säuren/Basen, wenn der Dissoziationsanteil α << 1
Autoionisierung von Wasser und pH-pOH-Skala
Kw = [H⁺]·[OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴, pH + pOH = pKw = 14 Grundlegende logarithmische Skalen: pH = -log₁₀[H⁺] und pOH = -log₁₀[OH⁻]
Henderson-Hasselbalch-Gleichung (Säurepuffer)
pH = pKa + log₁₀([Conjugate Base][Weak Acid]) = pKa + log₁₀([Salt][Acid]) Berechnet den pH-Wert einer sauren Puffermischung (z. B. CH₃COOH + CH₃COONa)
Henderson-Hasselbalch-Gleichung (Basispuffer)
pOH = pKb + log₁₀([Conjugate Acid][Weak Base]), pH = 14 - pOH Berechnet pOH und pH einer basischen Pufferlösung (z. B. NH₄OH + NH₄Cl)
Salzhydrolyse-pH-Formeln
WA-SB: pH = 7 + ½pKa + ½log(C), SA-WB: pH = 7 - ½pKb - ½log(C), WA-WB: pH = 7 + ½pKa - ½pKb Berechnet den pH-Wert, der sich aus der kationischen/anionischen Hydrolyse schwach saurer und schwach basischer Salze ergibt
Löslichkeitsproduktkonstante (Ksp) und molare Löslichkeit (S)
Ax By ⇌ x A^(y+) + y B^(x-) ⟹ Ksp = x^x·y^y·S^(x+y) Gleichgewichtskonstante für schwerlösliche Salze (1:1-Salz: K_sp = S²; 1:2-Salz: K_sp = 4S³; 1:3-Salz: K_sp = 27S⁴)
⏱️ Kapitel 7: Chemische Kinetik und Reaktionsdynamik
6 Formeln Differential- und integrierte Geschwindigkeitsgesetze, Halbwertszeitgleichungen, Arrhenius-Aktivierungsenergie und Kollisionstheorie
Kapitel 7: Chemische Kinetik und Reaktionsdynamik
6 FormelnDifferential- und integrierte Geschwindigkeitsgesetze, Halbwertszeitgleichungen, Arrhenius-Aktivierungsenergie und Kollisionstheorie
Allgemeine Reaktionsgeschwindigkeit und Ausdruck des Geschwindigkeitsgesetzes
Rate = -(1a)·(d[A]dt) = (1c)·(d[C]dt) = k·[A]^m·[B]^n Gesamtreaktionsordnung = m + n; Die Geschwindigkeitskonstante k hat die Einheit (mol/L)^(1-n) · s⁻¹
Integriertes Ratengesetz und Halbwertszeit nullter Ordnung
[A] = [A]₀ - k·t, t½ = [A]₀2k Die Geschwindigkeit ist unabhängig von der Reaktantenkonzentration; Die Halbwertszeit ist direkt proportional zur Anfangskonzentration
Integriertes Ratengesetz und Halbwertszeit erster Ordnung
k = (2.303t)·log([A]₀[A]), [A] = [A]₀·e^(-k·t), t½ = ln(2)k = 0.693k Die Halbwertszeit erster Ordnung ist völlig unabhängig von der anfänglichen Reaktantenkonzentration
Integriertes Ratengesetz und Halbwertszeit zweiter Ordnung
1[A] = 1[A]₀ + k·t, t½ = 1k·[A]₀ Die Halbwertszeit ist umgekehrt proportional zur anfänglichen Reaktantenkonzentration
Arrhenius-Rate-Temperatur-Gleichung
k = A·e^(-EaR·T) ⟹ ln(k) = ln(A) -EaR·T Quantifiziert die exponentielle Beschleunigung mit Temperatur und Aktivierungsenergiebarriere
Formel für das Arrhenius-Verhältnis bei zwei Temperaturen
log(k₂k₁) = (Ea2.303·R)·(T₂ - T₁T₁·T₂) Berechnet die Aktivierungsenergie E_a aus Geschwindigkeitskonstanten, die bei zwei unterschiedlichen Temperaturen gemessen wurden
⚡ Kapitel 8: Elektrochemie und galvanische Zellen
6 Formeln Standard-EMF-Potenziale, Nernst-Gleichung, elektrische Arbeit von Gibbs, Kohlrausch-Leitfähigkeit und Faraday-Elektrolysegesetze
Kapitel 8: Elektrochemie und galvanische Zellen
6 FormelnStandard-EMF-Potenziale, Nernst-Gleichung, elektrische Arbeit von Gibbs, Kohlrausch-Leitfähigkeit und Faraday-Elektrolysegesetze
Standardzellpotential (EMF)
Ecell° = Ecathode° - Eanode° = Ereduction(RHE)° - Ereduction(LHE)° Elektromotorische Kraft unter Standardbedingungen (1 M Konzentrationen, 1 atm Gasdruck, 298 K)
Nernst-Gleichung bei 298 K (25°C)
Ecell = Ecell° - (0.0591n)·log₁₀(Q) Berechnet das nicht standardmäßige elektrochemische Zellpotential für Reaktanten-/Produktaktivitäten, die nicht eins sind
Gibbs freie Energie und Standardzellenpotential
ΔG° = -n·F·Ecell°, Ecell° = (0.0591n)·log₁₀(Kc) Verknüpft das Standardpotential einer elektrochemischen Zelle mit maximaler elektrischer Arbeit und Gleichgewicht ohne Ausdehnung
Spezifische und molare elektrolytische Leitfähigkeit
κ = G·(lA) = (1R)·G*, Λm = κ × 1000M Molare Leitfähigkeit pro Mol Elektrolyt (Einheiten: S·cm²·mol⁻¹)
Kohlrauschs Gesetz der unabhängigen Ionenwanderung
Λm° = ν₊·λ₊° + ν₋·λ₋°, α = ΛmΛm° Bei unendlicher Verdünnung trägt jedes Ion unabhängig zur molaren Leitfähigkeit bei; bestimmt die schwache Elektrolytdissoziation α
Faradaysche Gesetze der Elektrolyse
m = Z·I·t = M·I·tn·F,m₁E₁ = m₂E₂ Die an einer Elektrode abgelagerte oder freigesetzte Masse ist proportional zur Ladung Q (Faraday-Konstante F = 96485 C/mol)
💧 Kapitel 9: Lösungen und kolligative Eigenschaften
6 Formeln Raoult-Gesetz des Dampfdrucks, der Siedepunkterhöhung, der Gefrierdepression, des osmotischen Drucks und des Van-t-Hoff-Faktors
Kapitel 9: Lösungen und kolligative Eigenschaften
6 FormelnRaoult-Gesetz des Dampfdrucks, der Siedepunkterhöhung, der Gefrierdepression, des osmotischen Drucks und des Van-t-Hoff-Faktors
Raoults Gesetz und relative Senkung des Dampfdrucks
PA = XA·PA°,PA° - PAPA° = XB = nBnA + nB Die Verringerung des relativen Dampfdrucks entspricht dem Molanteil des nichtflüchtigen gelösten Stoffes
Siedepunkterhöhung (Ebullioskopie)
ΔTb = i·Kb·m = i·(Kb × wB × 1000MB × wA) Die ebullioskopische Konstante K_b hängt ausschließlich von der Art des Lösungsmittels ab: K_b = (R·T_b²·M_Lösungsmittel) / (1000·ΔH_vap)
Gefrierpunktserniedrigung (Kryoskopie)
ΔTf = i·Kf·m = i·(Kf × wB × 1000MB × wA) Kryoskopische Konstante K_f: K_f = (R·T_f²·M_Lösungsmittel) / (1000·ΔH_fus) (1,86 K·kg/mol für Wasser)
Van 't Hoff-Gesetz des osmotischen Drucks
Π = i·C·R·T = i·(nBV)·R·T = i·(wB·R·T)MB·V Hydrostatischer Druck ist erforderlich, um die Osmose des Lösungsmittels durch die semipermeable Membran vollständig zu verhindern
Van 't Hoff-Faktor (i) für Dissoziation und Assoziation
i = 1 + (n - 1)·αdiss, i = 1 + (1n- 1)·αassoc Erklärt abnormale Molekülmassen aufgrund der Ionisierung oder Dimerisierung des Elektrolyten in Lösung
Henrys Gesetz der Gaslöslichkeit in Flüssigkeit
pgas = KH·Xgas, mgas = kH·pgas In Flüssigkeit gelöstes Gas ist direkt proportional zum Partialdruck über der Flüssigkeit (K_H steigt mit T)
🧊 Kapitel 10: Festkörper und Kristallographie
4 Formeln Elementarzellendichte, kubische Kristallgeometrien (SC, BCC, FCC), Regeln für das Radiusverhältnis und Bragg-Röntgenbeugung
Kapitel 10: Festkörper und Kristallographie
4 FormelnElementarzellendichte, kubische Kristallgeometrien (SC, BCC, FCC), Regeln für das Radiusverhältnis und Bragg-Röntgenbeugung
Formel für die Dichte der Elementarzellenkristalle
ρ = z·Ma³·NA Theoretische Kristallmassendichte aus Gitterkantenlänge a und effektiver Atomzahl z
Kubische Gittergeometrien und Packungseffizienzen
SC: r = a2 (52.4%), BCC: r = (√34)·a (68.0%), FCC: r = a2√2 (74.0%) Geometrische Beziehungen zwischen Atomradius r, Kantenlänge a und raumfüllender Packungseffizienz
Regeln für das Begrenzungsradiusverhältnis und Koordinationsgeometrie
Linear: <0.155 (CN 2), Triangular: 0.155-0.225 (CN 3), Tetrahedral: 0.225-0.414 (CN 4), Octahedral: 0.414-0.732 (CN 6), Cubic: 0.732-1.000 (CN 8) Prognostiziert die ionische Kristallkoordinationszahl (CN) und die interstitielle Geometrie anhand des Kationen-/Anionenradiusverhältnisses
Braggs Gesetz der Röntgenbeugung
n·λ = 2·d·sin(θ) Konstruktive Interferenzbedingung für monochromatische Röntgenstrahlen, die an Kristallgitterebenen im Abstand d gestreut werden
🧲 Kapitel 11: Oberflächenchemie und kolloidaler Zustand
3 Formeln Adsorptionsisothermen von Freundlich & Langmuir, Hardy-Schulze-Regel und Zetapotential
Kapitel 11: Oberflächenchemie und kolloidaler Zustand
3 FormelnAdsorptionsisothermen von Freundlich & Langmuir, Hardy-Schulze-Regel und Zetapotential
Freundlich-Adsorptionsisotherme
xm = k·P^(1n) ⟹ log(xm) = log(k) + (1n)·log(P) Empirisches Modell für die Gasadsorption auf der Oberfläche eines festen Adsorptionsmittels über moderate Druckbereiche
Langmuir-Monoschicht-Adsorptionsisotherme
xm = a·P1 + b·P ⟹ Pxm = 1a+ (ba)·P Theoretisches Modell unter Annahme einer homogenen Monoschicht-Oberflächenbedeckung und lokalisierten identischen Stellen
Hardy-Schulze-Regel für die kolloidale Koagulation
Coagulating Power ∝ (Valency of Oppositely Charged Ion)⁴ Die Koagulationskraft eines Elektrolyt-Ions steigt dramatisch mit seiner Ladungswertigkeit z
🔗 Kapitel 12: Chemische Bindung und Molekülstruktur
5 Formeln Dipolmomente, Pauling-Ionencharakter, Molekülorbitalbindungsordnung, formale Ladungen und reine Spin-Magnetmomente
Kapitel 12: Chemische Bindung und Molekülstruktur
5 FormelnDipolmomente, Pauling-Ionencharakter, Molekülorbitalbindungsordnung, formale Ladungen und reine Spin-Magnetmomente
Elektrisches Dipolmoment (Debye)
μ = q·d, 1 Debye (D) = 3.33564 × 10⁻³⁰ C·m = 10⁻¹⁸ esu·cm Quantifiziert die molekulare elektrische Polarität aus der Ladungstrennung q über dem Bindungsabstand d
Pauling-Prozentsatz ionischer Charakter
% Ionic = 16·|χA - χB| + 3.5·(χA - χB)² Schätzt den prozentualen Ionencharakter einer kovalenten Bindung anhand der Elektronegativitätsdifferenz Δχ
Bindungsordnung im Molekülorbital (MO).
Bond Order = ½·(Nb - Na) Nettobindungsstabilität: Bindungsordnung > 0 zeigt ein stabiles Molekül an; Eine höhere Bindungsordnung bedeutet eine kürzere Bindungslänge und eine höhere Bindungsenergie
Formale Ladung des Lewis-Strukturatoms
FC = V - Nlone - ½·Nbonding Buchhaltung der Valenzelektronen zur Bestimmung der stabilsten Resonanz-Lewis-Struktur
Nur-Spin-magnetisches Moment von Übergangsmetallionen
μs = √n·(n + 2) BM Berechnet das paramagnetische magnetische Moment aus der Anzahl ungepaarter d-Elektronen n (n=1: 1,73 BM, n=2: 2,83 BM, n=3: 3,87 BM, n=4: 4,90 BM, n=5: 5,92 BM)
⚗️ Kapitel 13: Redoxreaktionen und volumetrische Titrationen
3 Formeln Oxidationszahlen, Äquivalentgewichte, Redoxneutralisation und Disproportionierungsstöchiometrie
Kapitel 13: Redoxreaktionen und volumetrische Titrationen
3 FormelnOxidationszahlen, Äquivalentgewichte, Redoxneutralisation und Disproportionierungsstöchiometrie
Äquivalentgewicht von Oxidations- und Reduktionsmitteln
E = Molar MassNumber of electrons gained or lost per molecule Beispiel: KMnO₄ in saurem Medium (n=5) E = M/5; in neutralem Medium (n=3) E = M/3; im Grundmedium (n=1) E = M/1
Gesetz der chemischen Äquivalente und Titrationsgesetz
N₁·V₁ = N₂·V₂ ⟹ n₁·M₁·V₁ = n₂·M₂·V₂ Am stöchiometrischen Äquivalenzpunkt entsprechen die Äquivalente des Titriermittels den Äquivalenten des Analyten
Äquivalentgewicht bei Disproportionierungsreaktionen
Etotal = Eoxidation + Ereduction = Mn₁+Mn₂ Bei Redoxreaktionen, bei denen dasselbe chemische Element gleichzeitig oxidiert und reduziert wird
🌿 Kapitel 14: Prinzipien der Organischen Chemie und Stereochemie
4 Formeln Index des Wasserstoffmangels (IHD), spezifische optische Drehung, Enantiomerenüberschuss und Hammett-Gleichung
Kapitel 14: Prinzipien der Organischen Chemie und Stereochemie
4 FormelnIndex des Wasserstoffmangels (IHD), spezifische optische Drehung, Enantiomerenüberschuss und Hammett-Gleichung
Index des Wasserstoffmangels (Unsättigungsgrad)
IHD = C + 1 - (H2) - (X2) + (N2) Bestimmt die Gesamtzahl der Ringe und π-Bindungen (Doppelbindung = 1, Dreifachbindung = 2, Benzolring = 4)
Biots spezifisches optisches Rotationsgesetz
[α]D^T = αobsl·c Standardmäßige chirale optische Aktivität, gemessen mittels Natrium-D-Linien-Polarimetrie (589 nm).
Enantiomerenüberschuss (% ee) und optische Reinheit
% ee = (|R -S|R + S) × 100 = (αobsαpure) × 100 Quantifiziert den chiralen Überschuss eines Enantiomers gegenüber einer racemischen Mischung (50:50-Mischung hat 0 % ee)
Hammett lineare freie Energiebeziehung
log(KK₀) = σ·ρ, log(kk₀) = σ·ρ Bezieht sich auf die elektronischen Effekte von meta/para-Substituenten (σ) und die Reaktionsempfindlichkeit (ρ) auf die Geschwindigkeit der substituierten Benzoesäure