Ing Mathematik: Näherungsweises Lösen gewöhnlicher Dgl.
Numerisches Differenzieren
[Bearbeiten]Die findiff-Funktion
[Bearbeiten]Python-Code:
import findiff import numpy as np x = np.linspace(0, 1, 100) f = np.sin(x) d_dx = findiff.FinDiff(0, x, 1) df_dx = d_dx(f) print(df_dx[-1])
Ausgabe:
0.5403208977697744
Differenzenquotient
[Bearbeiten]- Vorwärts-Differenzenquotient:
- Rückwärts-Differenzenquotient:
- Zentraler Differenzenquotient:
Siehe auch Numerische Differentiation, Differenzenquotient.
Satz von Taylor
[Bearbeiten]Taylorpolynom:
Lagrangesche Restgliedformel:
Siehe auch Taylor-Formel, Knorrenschild: Seite 112ff
Diskretisierungsfehler
[Bearbeiten]Problem: Wählt man zu klein, so ist ggf. der Rundungsfehler zu groß. Ist zu groß, dann ist offensischtlich der Diskretisierungsfehler hoch.
Herleitung: Mit der Taylorformel erhält man für
Diskretisierungsfehler:
(Fehler)Ordnung : mit .
Je höher die Fehlerordnung, desto genauer ist i. A. die Formel. Die Schrittweite h ist optimal, wenn der Gesamtfehler aus Diskretisierungs- und Rundungsfehler minimal wird. Lt. Korrenschild: Seite 115 ist das Optimum bei erreicht. eps sei die Maschinengenauigkeit.
Siehe auch Lokaler Diskretisierungsfehler.
Gewöhnliche Differentialgleichungen - Allgemeines
[Bearbeiten]Siehe auch Differentialgleichung und Burg, Haf, Wille, Meister
Anfangswertprobleme
[Bearbeiten]Allgemeines
[Bearbeiten]Die Lösung eines Anfangswertproblems ist die Lösung der Differentialgleichung plus Berücksichtigung von vorgegebenen Anfangswerten.
mit .
Wie nachfolgendes Bild zeigt, gibt es auch hier eine Vielzahl an numerischen Methoden (das Bild beinhaltet nicht alle verfügbaren Methoden, Quelle: Tabellen in Burg, Haf, Wille, Meister: Seite 75f).
Lipschitz-Bedingung
[Bearbeiten]heißt lipschitzstetig, wenn eine Konstante (die Lipschitz-Konstante) existiert, die für alle gilt.
Siehe auch Lipschitz-stetige Funktion, Burg, Haf, Wille, Meister: Seite 21, Hanke-Bourgeois: Seite 553
Picard-Lindelöf
[Bearbeiten]- Existenzproblem: Finden wir stets eine Lösung des Anfangswertproblems?
- Eindeutigkeit: Ist dies die einzige Lösung?
- Ist diese Lösung lokal oder lässt sie sich auf einen größeren Bereich fortsetzen?
Die dritte Frage lässt sich so beantworten: Existenzaussagen sind i.A. nur lokal gültig. Die ersten beiden beantwortet der Existenz- und Eindeutigkeitssatz von Picard-Lindelöf.
Die nachfolgende Variante des Satzes von Picard-Lindelöf stammt aus Wikipedia (Satz von Picard-Lindelöf, Autoren siehe dort):
Sei ein Banachraum, , mit und stetig und lokal Lipschitz-stetig in der zweiten Variablen. Hierin bezeichnet
die abgeschlossene Kugel um mit Radius . Ist
und
dann existiert genau eine Lösung des Anfangswertproblems
auf dem Intervall ; sie hat Werte in .
Eine etwas einfacher verständliche Variante findet sich in Burg, Haf, Wille, Meister: Seite 15ff. Auch in Hanke-Bourgeois: Seite 553ff findet sich dieser Satz.
Rekursionsformel nach Picard-Lindelöf:
Das Anfangswertproblem wird durch die Integralgleichung ersetzt.
.
Dabei muss gelten: stetig.
Mit dem Verfahren von Picard-Lindelöf ist zwar schon eine Methode zur numerischen Lösung von Anfangswertproblemen gegeben. In Burg, Haf, Wille, Meister: Seite 22ff ist ein einfaches Beispiel gezeigt. Allerdings lassen sich oft die Integrale nicht einfach explizit bestimmen. Es gibt daher eine Vielzahl anderer Methoden, die dieses Problem vermeiden.
Integrationsmethoden
[Bearbeiten]. Das Integral kann durch numerische Quadraturformeln gelöst werden. Mit der Rechteckregel ergibt sich:
Differenziationsmethoden
[Bearbeiten]
Einschrittverfahren
[Bearbeiten]Zur Berechnung der Größe ist stets die Verfügbarkeit von ausreichend.
Mehrschrittverfahren
[Bearbeiten]Zur Berechnung der Lösung sind neben mit noch weitere Stützpunkte zu berücksichtigen.
Explizite Verfahren
[Bearbeiten]Weist die Verfahrensfunktion keine Abhängigkeit von auf, so heißt das Verfahren explizit.
Implizite Verfahren
[Bearbeiten]Weist die Verfahrensfunktion eine Abhängigkeit von auf, so heißt das Verfahren implizit.
Steife Differenzialgleichungen
[Bearbeiten]Bei diesen versagen explizite Einschrittverfahren (Quelle: Hanke-Bourgeois: Seite 587). Die Lösungskomponenten setzen sich aus verschieden stark exponentiell abklingenden Anteilen zusammen (Quelle: Bronstein, Semendjajew, Musil, Mühlig: Taschenbuch der Mathematik. 7. Aufl., Harri Deutsch, 2008, Seite 978). Die Lipschitzkonstante nimmt große Werte an.
Siehe auch Steifes Anfangswertproblem. Im Englischen werden derartige DGL als stiff bezeichnet.
Ein PDF-File zum Thema Steife Differentialgeichungen findet sich auch auf [1].
Euler
[Bearbeiten]Explizit
[Bearbeiten]
Mit kann dieses Verfahren aus obigen Formeln abgeleitet werden. Oder noch einfacher via nachfolgendem Bildchen.
oder allgemein
Dieses Verfahren wird auch Euler-Cauchy-, Vorwärts-Euler-Verfahren oder eulersches Polygonzugverfahren genannt.
Siehe auch Explizites Euler-Verfahren, Burg, Haf, Wille, Meister: Seite 43ff, Knorrenschild: Seite 147ff oder Hanke-Bourgeois: Seite 557ff
Implizit
[Bearbeiten]
Auch dieses Verfahren lässt sich aus dem obigen Bild herleiten. Diesmal wird aber nicht der Punkt betrachtet, sondern . Es wird auch Rückwärts-Euler-Verfahren genannt.
Siehe auch Implizites Euler-Verfahren, Burg, Haf, Wille, Meister: Seite 45ff oder Hanke-Bourgeois: Seite 560ff
Runge
[Bearbeiten]Es ist ein verbessertes Polygonzugverfahren. Es lässt sich auch mit der Mittelpunktregel herleiten.
Siehe auch Burg, Haf, Wille, Meister: Seite 53f.
Runge-Kutta
[Bearbeiten]Python-Programm:
import scipy import numpy as np def dy_dx(x, y): return y y0 = [1] xi = [0, 10] z = scipy.integrate.solve_ivp(dy_dx, xi, y0, method="RK45") y = z.y print(y[-1, -1])
Ausgabe:
22016.12509092586
Die exakte Lösung wäre:
Siehe auch Runge-Kutta-Verfahren, Burg, Haf, Wille, Meister: Seite 55ff, Knorrenschild: Seite 157ff, Hanke-Bourgeois: Seite 565ff
Gedruckte Bücher (auszugsweise)
[Bearbeiten]- Burg, Haf, Wille, Meister: Höhere Mathematik für Ingenieure, Band III: Gewöhnliche Differentialgleichungen, Distributionen, Integraltransformationen. 5. Auflage, Vieweg+Teubner, 2009, ISBN 978-3-8348-0565-2
- Hanke-Bourgeois: Grundlagen der Numerischen Mathematik und des Wissenschaftlichen Rechnens. 3. Aufl., Vieweg+Teubner, 2009, ISBN 978-3-8348-0708-3
- Knorrenschild: Numerische Mathematik, Eine beispielorientierte Einführung. 6. Aufl., Hanser, 2017, ISBN 978-3-446-45161-2