Technische Physiker II
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- Tomas Michel
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1 Dteverrbeitug für Techische Physiker II Iterpoltio Guss-Itegrtio Nullstellesuche Apssugsprobleme Itegrtio ti gesucht: Aäherug ds bestimmte Itegrl b i f( x dx w f( E ( i i bisher: Polyome geriger Ordug durch Utermege der Stützpukte gelegt ud itegriert i (Newto- Cotes Itegrtio Vorteil: eifch uszuwerte für äquidistte Stützpukte Nchteil: viele Stützpukte (Messwerte otwedig, um hohe Geuigkeit zu erziele
2 3 geäderte Situtio: Fuktio f(x ist ur für icht äquidistte Pukte i bekt b ist schwer zu bereche oder zu messe mögliche Lösuge: - Polyom p (x durch i lege ud p itegriere - Whl der i optimiere 4 Polyomiterpoltio Lgrge-Polyome g Dividierte Differeze Stz vo Weierstrss: Ist f(x stetig uf dem Itervll [,b] ud sei eie kleie Zhl größer, d existiert ei ( für ds gilt f(x-p (x < für lle x us [,b] Behuptug: Es existiert t ei ud ur ei Polyom vom Grd oder kleier, ds die + reellwertige Fuktios- werte f( i de Stelle iterpoliert.
3 5 Astz für ds Iterpoltiospolyom: g ( x f( ( x mit k k k k ( x wege ( g ( f( k k x i i k i ik g (x sid Lgrge-Iterpoltiospolyome Bsp.: Pukte (liere Iterpoltio x x g( x f( k k( x f( f( k f ( f ( f ( ( x 6 Iterpoltiosfehler ti E proportiol zu f (+ ( us [, ] Berechug vo g (x beötigt im beste Fll - (+3+ Additioe - (+ + Multipliktioe - + Divisioe Vergleich: Berechug eies Polyoms -te Grdes mit bekte Koeffiziete i b i - Additioe - Multipliktioe durch Rekursio pi( x pi ( x x ci B ( z.b.: p ( x c x c x c x c x c 4 4 3
4 7 Dividierte idi Differeze Defiitio der dividierte Differeze: f [ ] f ( f [, ] f [,, ] f [ ] f [ ] f [, ] f [, ] f [,, ] f [,, ] f [,, ] 8 Drstellug eier Fuktio durch dividierte Differeze: fx ( f [ ] ( x f [, x] f [, x] f [, ] ( x f [,, x] f [,,, x] f [,, ] ( x f [,,, x] g (x fx ( f [ ] ( x f [, ] ( x( x f [,, ] ( x ( x f[,, ] ( x ( x f [,,, x ] E (x
5 9 Ählichkeite zur Berechug vo Ableituge: f(x i- f(x i x f(x i+ i f(x x. f (x i f f( x f( x i i ( xi xi xi f( xi f( xi f( xi f( xi x Grezwert für : ~Tylorreihe fx ( f [ ] ( x f [, ] ( x( x f [,, ] f ( ( x f( ( x f( Aufwd zur Berechug vo g (x: - (+3 Additioe -- Multipliktioe - (+/ Divisioe Aufwd, bei gespeicherte f [ i ] dividierte Differeze für zusätzliche Stützpukt zu bereche -Additioe - Multipliktioe f [ i,, ] f [ ] f [ ] 3 f [ ] f [ 3 ] 4 f [ 4 ] f [, ] f [, ] f [ 3, ] f [ 4, 3 ] f [,, ] f [ 3,, ] f [ 4, 3, ] f [ 3,,, ] f [ 4, 3,, ] f [ 4, 3,,, ]
6 (Cubic Splie-Iterpoltio l ti f ( x Stelle bekt Idee: Fuktio i Itervlle [ i-, i] durch Polyom gerige Grdes äher Zustzwusch: stetig differezierbr Stützstelle bekteste t Splie-Iterpoltio: l ti kubischer Splie p ( x c c ( x c ( x c ( x ; i,, 3 i, i, i i, i i 3, i i p ( f( ; p ( f( ; i,, i i i i i i p i( i p i ( i si i,,
7 3 Bestimmug der s i durch Zustzbedigug: p i (x solle ml stetig differezierbr sei - Gleichuge für s i p i( i p i ( i ; i,, ( s ( s ( s i i i i i i i i i 3[ f, ]( 3[ f, ]( i i i i i i i i fehlede Gleichuge durch Vorgbe vo s, s z.b.: Krümmug (. Ableitug bei ud verschwidet s s 3 f [, ] s s 3 f[, ] 4 dere Möglichkeit: it Pukte ud icht ihtberücksichtigt ükihtit p =p ; p - =p sh s ( hh h f[, ](h 3 h f[, ] h h h h f[, ](h 3 h f[, ] h s h h s h ( h h mit h ; i,, i i i effiziete Lösug des Problems: siehe Vorlesug zu liere Gleichugssysteme
8 Guss-Itegrtio ti bisher: Fuktioswerte + Stützstelle gegebe Bestimmug der + Koeffiziete eies Polyoms vom Grd etzt: Grd des Polyoms vorgegebe, ds durch geschickte Whl vo Stützstelle exkt itegriert werde k b d.h. f ( x dx f ( w für f ( x p ( x Stützstelle durch Methode vorgegebe
9 7 Bsp: Stützstelle zur Itegrtio ller Polyome vom Grd 3 oder weiger f( x dx f( w f( w f( x : ww f( x x: w w f( x x : w w /3 f ( x x : w w ; w w 3 8 Itegrtio eies Polyoms vom Grd -: f ( x dx f [ ] ( x f [, ] ( x ( x f [,, 3 ] ( x ( x f [,, ] dx ( x ( x f[,,, x] dx E Polyom vom Grd Polyom vom Grd - Forderug: E = Bestimmug der möglich (siehe obe
10 9 wir erier us (Methode-Vorlesug orthogole Polyome Etwicklugsstz d uf dem Itervll [-,] ist eie Orthogolitäts- reltio für Legedrepolyome durch P( x P' ( x dx ' gegebe d ede Fuktio f(x ( k ls uedliche Summe vo Legedrepolyome drgestellt werde, ist isbesodere f(x ei Polyom vom Grd - gilt f( x cp( x f[,,, x] P ( x dx i i i Nullstelle des Legedrepolyoms P (x f ( x dx f ( w für f ( x p ( x w ( x dx ( P ( P( llgemeies Itegrtiositervll [,b]: b b b x t ( b b b f x dx f t dt b dx dt
11 .5 P P 3 P 4 P x lle Gewichte w sid positiv Itegrtiosfehler beschräkt für llgemeie Fuktio f(x gilt 4 b (! ( E f b 3 ( [(!] für hireiched große Zhl vo Stützstelle. ( ( Nullpukte der Legedrepolyome (Stützstelle ud Gewichte w us Tbelle oder Bibliotheksfuktioe, z.b. Abrmowitz,Stegu: Hdbook of Mthemticl Fuctios (
12 3 4 Itegrle der Form W ( x f ( x dx b köe für bestimmte Gewichtsfuktioe W(x ( mithilfe derer orthogoler Polyome gelöst werde. existiert eie Orthogolitätsreltio b W ( x ( x ' ( x dx C ' b W ( x f ( x dx f ( w E Nullstelle der Polyome (x b W w W ( x ( x dx
13 5 eiige W(x mit bekte Polyome: W(x (,b (x (, ( x ( x ;, [,] P... Jkobipolyome x (, ; [,] P... ( Momete vo Verteiluge! x [,] U... Tschebytscheffpolyome. Art / x [,] P ( x x [,] P ( x / x / x /( x [,] T xe e x... Tschebytscheffpolyome [, L... Lguerrepolyome x ( ; [, L... ssoziierte Lguerrepolyome e x (, H... Hermitepolyome 6 Berechug orthogoler Polyome us Rekursiosreltioe:
14 7 flls otwedig: Nullstellebestimmug f( f( f( b f f( x x ( b - 8 Sekteverfhre regul flsi f( x f ( x f( x3 x 4 x x x x x x x f( x f( x f( f( b
15 9 Newto-Rphso-Verfhre f( xi f( xx f( xi f( xi xo( x xi xi f ( ( x i f ( x x 3 x x f ( x i! ur d, we f (x lytisch bekt ist! 3 Nullstelle vo Polyome: Divisio durch (x- Vorggsweise: p ( x. Suche eier Nullstelle. Abdividiere der Nullstelle (um. Fehlerquelle! 3. Verfeierug der Nullstelle. Abdividiere der Nullstelle (um. Fehlerquelle! ZS c c p( x cix p ( x i p ( x ( x i = -,,..., ZS c c ZS ZS ZSZS P ( x
16 3 Nullstelle vo Polyome: Eigewerte der Mtrix c c c c c c c A x det( x i A p ( x c i x i c i 3 Apssugsprobleme Apssug eier Fitfuktio durch Messpukte y Ws sollte die Apssug liefer? die Fitprmeter k eie Abschätzug des Fehlers für ede Prmeter 3 eie Abschätzug der Qulität der Fitfuktio Worum geht es bei eier Apssug NICHT? Meßpukte durch eie möglichst gltte Kurve verbide ( Iterpoltio eie möglichst gltte Kurve durch Dtepukte lege ( grphische Aufbereitug erlubt keie Aussge über physiklische Prozeß!
17 33 Beispiel: Zerfllsprozeß. Versuch: Polyomfit. Versuch: Expoetilfit Etscheidug: Li-Log-plot Dt y = m*exp(-m*m Vlue Error m m Chisq NA R NA Begriffsbestimmug: lieres Apssugsproblem : Fitfuktio ist lier i de k M f( x kxk( x z.b.: k f( x x M x ft ( k si( kt k ichtlieres Apssugsproblem M f( x kxk( bkx k z.b.: f ( x exp bx exp b x
18 35 Mß für Abweichug: Messwerte Fitfuktio N y ( ; f x,..., M Messfehler fide ds Miimum vo d.h.: fide die Nullstelle der M erste Ableituge y f( x ;,..., f( x ;,..., N M M k 36 ch humformuge lieres Gleichugssystem T T A A A b A k M MxN N X ( x k MxM b y flls icht bekt lle = = ch Lösug des Apssugsproblems k bestimmt werde: y f( x;,..., M N M
19 37 Ws sollte eie -Apssug liefer:. die Fitprmeter i. eie Abschätzug des Fehlers für ede Prmeter T ( A A k 3. eie Abschätzug der Qulität der Fitfuktio t ( N M / Q(, x e t dt mit ( x / x kk
Definition (Supremum und Infimum). s R heißt Supremum der Menge M R, falls s die kleinste obere Schranke von M ist, d.h.
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