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Grafik x A x E Beispiele Anwendungsbeispiel Randwertproblem Eine konkrete technische Anwendung für ein Randwertproblem einer Dgl. 4. Ordnung ist die Balkenbiegung. Für einen schubstarren Balken der Biegesteifigkeit EI, der unter der Streckenlast q(x) steht, gilt: EI w'''' = -q(x). Die Lösung w(x) dieser Dgl ist die Biegelinie, die sich unter der Belastung einstellt. An jedem der beiden Enden des Balkens muss man jeweils 2 Randbedingungen vorgeben. Es gibt dabei 4 Möglichkeiten Lagerung für x=x R zu beschreiben: a) w(x R)=0 - keine vertikale Verschiebung bei x R b) w'(x R)=0 - keine Änderung der Neigung der Biegelinie bei x R c) w''(x R)=0 - kein Biegemoment bei x R d) w'''(x R)=0 - keine Querkraft bei x R So ist ein eingespannter Rand mit a) und b) formuliert. Für einen freien Rand wird c) und d) benötigt. Für ein Festlager oder Loslager nimmt man a) und c). Online Rechner für 2x2 Differentialgleichungssysteme 1.Ordnung.. Anwendungsbeispiel Anfangswertproblem Eine konkrete technische Anwendung für ein Anfangswertproblem einer Dgl. Ordnung sind Schwingungen eines Einmassenschwingers.
Also multiplizierst du die DGL mit einem und bestimmst und. Die Integrabilitätsbedingung ist nicht erfüllt Leitest du sie ab und setzt sie gleich, erhältst du diese Gleichung Darin setzt du noch das Beispiel ein Multiplikation mit M Der Trick ist, ein zu wählen, dass nur von einer Variable abhängt. Dadurch erzeugst du eine einfache gewöhnliche DGL, mit der du bestimmen kannst. Ob du ein oder ein wählst, ist dir überlassen. Du musst ausprobieren, wie du eine zielführende bzw. die einfachere DGL erzeugst. Probieren wir mal. Lineare Differentialgleichung lösen - mit Vorschlag. Die Ableitung fällt raus Jetzt kannst du rauskürzen. Die DGL löst du mit Trennung der Variablen. Dann sortierst du erst mal, um danach zu integrieren und nach aufzulösen. Es ergibt sich. Lösung der DGL Jetzt machen wir noch die Probe, indem wir und auf Integrabilität prüfen. Für ergibt sich: Nun setzt du für ein und das kürzt sich raus. ist leicht zu bestimmen. Jetzt kannst du nach ableiten, was null ergibt, und nach ableiten. Das ergibt ebenfalls Null. Die Integrabilitätsbedingung ist also erfüllt.
Für alle Verfahren ist der Wert Δt auch die Schrittweite für die grafische Ausgabe. Das gilt auch für das Runge-Kutta-Verfahren mit automatischer Schrittweitensteuerung. Intern wird hier aber mit problemangepasster Schrittweite gerechnet. Euler-Verfahren ● Heun-Verfahren ● verbessertes Euler-Verfahren ● Runge-Kutta-Verfahren (3. Ordnung) ● Runge-Kutta-Verfahren (4. Ordnung mit Schrittweitensteuerung) ● y • (t, y) = y(t 0) t 0 t End Δt Beispiele weitere JavaScript-Programme
Das Diffenrentialgleichungssystem ist gegeben als: DGL 1: y 1 ′ = f(x, y 1, y 2) DGL 2: y 2 ′ = g(x, y 1, y 2) Numerische Lösung des DGL-Systems Die Lösung des DGL-Systems wird numerisch berechnet. Es können die Verfahren Heun, Euler and Runge-Kutta 4. Ordnung ausgewählt werden. Die Anfangswerte y 01 and y 02 können in der Grafik durch Greifen der Punkte variiert werden. Der Wert für x 0 kann im Eingabefeld gesetzt werden. Bei der Definition der Funktionen f(x, y 1, y 2) und g(x, y 1, y 2) können die Parameter a, b und c verwendet werden. Die drei Parameter können mit den Schiebereglern verändert werden. Die Anzahl der Gitterpunkte im Phasenraumdiagramm kann im Eingabefeld festgelegt werden. Im Phasenraumdiagramm wird y 2 über y 1 dargestellt. Seitenverhältnis: Schritte: Methode: DGL 1: y 1: DGL 2: y 2: Lösung im Phasenraum Verschieben des Startpunktes ändert die Anfangswerte. Gitterpunkte: Skalierung= Funktion: Gittervektoren: y 1 ′ = f(x, y 1, y 2) = y 2 ′ = g(x, y 1, y 2) = cl ok Pos1 End 7 8 9 / x y 1 y 2 4 5 6 * a b c 1 2 3 - π () 0.
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