Mathematik 3 Projekt-/Problem-orientiert ein Erfahrungsbericht

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1 Mathematik 3 Projekt-/Problem-orientiert ein Erfahrungsbericht Institut für Informatik & Automation, IIA Fakultät E-Technik & Informatik, Hochschule Bremen Exact Modeling of the 10. Workshop Mathematik für Ingenieure, HRW,

2 1 2 Wunsch und Gelegenheit Agenda Exact Modeling of the 3 : Systems of Springs, 4 beabsichtigte 5 im Ablauf 6 Exact Modeling of the, Extensions and Generalisations 7 Beobachtungen, und Ausblick

3 Exact Modeling of the Die Curricula der Studiengänge der Technischen Informatik TI, ISTI, MEI und DSInf an der Hochschule Bremen sehen drei Semester Mathematik vor: 1 Mathe1: lineare Algebra und analytische Geometrie 2 Mathe2: Analysis und Differentialgleichungen (SAGE) 3 Mathe3: mehrdimensionale Analysis, Stochastik (seit Jahren obligatorisch MATLAB-basiert) Für die Studierenden sind diese Module extrem ungeliebt bis verhasst, anstrengend, weil Anwendungsbeispiele immer Kenntnisse aus anderen Disziplinen von Naturwissenschaft und Technik erfordern, hoffentlich bald vorbei (least effort) und angesichts Wichtigererem eigentlich überflüssig.

4 Wunsch und Gelegenheit Mein Wunsch war, Mathematik3 Projekt- und Problem-orientiert anzulegen, um Studierende zu interessieren und zu aktivieren, Studierende durch eigene Erfolgserlebnisse zu motivieren, Studierende notwendige Kenntnisse sich selbst aneignen und ggfls. den Kommilitonen vermitteln zu lassen, Studierende im Rahmen eines überschaubaren Themas modellieren, mathematisch formalisieren, implementieren, verallgemeinern und Plausibilität überprüfen zu lassen. Exact Modeling of the Eine Gelegenheit ergab sich im SS12: Mathematik3 für letztendlich nur neun Studenten mit verhaltener Bereitschaft, sich auf Neues einzulassen verhaltener Zustimmung, an der PO vorbei zu agieren (Projekte brauchen andere Leistungsbeurteilungen als Lehrveranstaltungen mit SU, müb und Klausur).

5 Exact Modeling of the : Systems of Springs, Systeme von Spiral-Federn,, d.h. modellieren und ihr dynamisches Verhalten in der Zeit und neue statische Gleichgewichte unter Last mit MATLAB bestimmen und visualisieren 1 dynamisch: 1D, 2D, 3D Systeme von Differentialgleichungen 2. Ordnung in Systeme von Differentialgleichungen 1. Ordnung überführen Systeme von Differentialgleichungen erster Ordnung mit MATLAB lösen die Lösung visualisieren 2 statisch: 1D, 2D, 3D Systeme linearer bzw. nicht-linearer Gleichungen aufstellen Systeme linearer bzw. nicht-linearer Gleichungen lösen die Lösung visualisieren 3 nach unendlich langer Zeit nehmen gedämpfte Systeme den Gleichgewichtszustand unter (statischer) Last ein!

6 beabsichtigte Exact Modeling of the Modellieren MATLAB effizient einsetzen Plausibilität von Lösungen einschätzen Modelle hinterfragen Druck-/Zug-Federn Federn in Begrenzung Lösungsverfahren kennen-, anwenden und einschätzen numerisch symbolisch Lösungsverfahren kennen-, anwenden und einschätzen Runge-Kutta: ode45, ode23,... Nelder-Mead: fminsearch Levenberg-Marquardt: lsqnonlin

7 Exact Modeling of the einige im Ablauf [8] Präsentation des Ziels, Entscheidung für Projekt/Problem, Erinnern Mathe1 & Mathe2, Einführung MATLAB 16./ Anforderungen an newcomer, praktische Bestimmung von Feder-Konstanten, Regressionsgeraden 23./ Systeme von Differentialgleichungen 2. Ordnung in Systeme von Differentialgleichungen 1. Ordnung überführen Verteilung von Kür-Themen Studenten sagen Film mit erläuterndem Vorspann und dem dynamischen Verhalten individueller s zu physikalisches 2D-Experiment dsolve-bug: y + ay 2 = x 2 18./19.12 legend-problem Jahre ZIMT : Präsentation des -Films, s.a. video CPU/GPU-benchmarks 9./ Wie kann man Federn mit Begrenzung modellieren? Energie als Kontroll-Größe! myfminsearch vs fminsearch 16./ Parallelisierung mit der Parallel Computing Toolbox

8 Exact Modeling of the Appetizer [7] In answering to a request of one of my students let us look into the following problem: There are some springs, connected in so called nodes, some of them are fixed in one end in some position. They become a system of springs, SOS. Initially all springs are released. Now, some external forces are applied to some of the nodes. Determine the new equilibrium of the system, i.e. the new positions of the nodes. In order to stepwise solve the problem reduce the dimension of the SOS use a simplified model of the restoring forces use examples, compare results with expectations, check plausibility, refine model perceive suitability of algorithms

9 Introductory [7] Three springs are connected in two nodes n 1 and n 2 ; Two external forces f1 and f2 apply at n 1 and n 2 resp. All on one line: one-dimensional version of the problem f 1 n 1 n 2 f 2 Exact Modeling of the Let x i denote the displacement of node n i, x = (x 1, x 2 ). Then the elongations e = (e 1, e 2, e 3 ) of the three springs are e ( ) e = e 2 = 1 1 x1 = Ax x e 3 with adjacency matrix A.

10 Introductory [7] Exact Modeling of the Hooke 1 s law: strain is directly proportional to stress! i.e. frestoring is proportional to the elongation of the spring. c f restoring = 0 c 2 0 e = Ce = CAx 0 0 c 3 External forces are compensated by the restoring forces f external = A f restoring = A CAx = Kx with symmetric stiffness matrix K = A CA. Solving the system of linear equations Kx = f external easily gives the unknown displacements x. 1 R. Hooke ( ) www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/biographies/hooke.html

11 Moving on to a [7] As an example consider a SOS with 24 springs and 9 nodes. Exact Modeling of the Assume: all springs have unit length and unit spring constant; exactly one force applies to the center node.

12 Exact Modeling of the In the example there are 12 horizontal and 12 vertical springs. A horizontal spring between (x 1, y 1 ) and (1 + x 2, y 2 ), and a vertical spring between (x 1, y 1 ) and (x 2, 1 + y 2 ) resp. have elongations e h = e h (x 1, y 1, x 2, y 2 ) = (1 + x 2 x 1 ) 2 + (y 2 y 1 ) 2 1 and e v = e v (x 1, y 1, x 2, y 2 ) = (x 2 x 1 ) 2 + (1 + y 2 y 1 ) 2 1 resp. Taylor expansion gives the linear approximation 2 of the elongation of a horizontal spring e h = e h (x 1, y 1, x 2, y 2 ) x 2 x 1 and of a vertical spring analogously e v = e v (x 1, y 1, x 2, y 2 ) y 2 y 1 2 c.p. e.g. H.Williamson, A.Mehta, M.Broussard, J.Cavazos, J.Bridge, S.Cox: The Physics of Springs

13 Again, we solve a system of linear equations Kx = f external where x is the vector of displacements (x i, y i ) of node i. Exact Modeling of the Exact solution of the linear model: first order approximation of the elongation frame, f external nodes without load springs without load nodes under load springs under load We get an obviously not very convincing result: exact solution of an insufficient model does not yield a reasonable result!

14 Exact Modeling of the Taylor expansion gives e h = e h (x 1, y 1, x 2, y 2 ) x 2 x (y 2 y 1 ) 2 and analogously e v = e v (x 1, y 1, x 2, y 2 ) y 2 y (x 2 x 1 ) 2 For n nodes with displacements (x i, y i ) let x = (x i ) i=1,..,n and y = (y i ) i=1,...n. A is again the adjacency matrix. Then e = A*[x;y]+1/2*(A*[y;x]). 2 f_restoring = C*e f_external = A'*f_restoring f_external = A'*C*(A*[x;y]+1/2*(A*[y;x]). 2). To solve this non-linear vector equation, the generic Nelder- Mead [5] algorithm, e.g. fminsearch applied to the scalar norm(f_external-a'*c*(a*[x;y]+1/2*(a*[y;x]). 2)) in 18 variables is not very reasonable!

15 Better to use the adequate Levenberg-Marquardt algorithm [2],[4],[6], e.g. lsqnonlin of the optimization toolbox. Exact Modeling of the Approximated solution of the quadratic model: second order approximation of the elongation frame, f external nodes without load springs without load nodes under load springs under load The result is still not convincing: we do not take the direction of the restoring forces into account.

16 Exact Modeling of the f restoring of a horizontal spring with unit length and spring constant c between p = (x 1, y 1 ) and q = (1 + x 2, y 2 ) is f restoring = c elongation q p q p = c( q p 1) q p q p. Exact Modeling of the Approximated solution of the exact model frame, f external nodes without load springs without load nodes under load springs under load

17 , Extensions and Generalisations Exact Modeling of the lessons learnt Modeling is of importance! Only adequate algorithms produce reasonable results! By far not all web resources are reliable! suggested extensions different positions, lengths, spring constants different initial conditions: prestress 3D suggested generalisations dynamics: system behaviour in time system of ode s discrete continuous pde

18 Beobachtungen, und Ausblick Exact Modeling of the + Interesse, Motivation und Engagement sind hoch! [8] + wiki auf AULIS/ILIAS = Wissensbasis, zum Austausch! + Unerwartete Eigeninitiative! [8] + Unerwartete Beiträge mit hoher Serendipität! [8] + Überraschenderweise wird im Tutorium weitere Mathematik wie z.b. Statistik nachgefragt! o Spezialisierung/Hobby [8] Schwache Studierende sind schnell abgehängt! Mathematisch (zu?) Anspruchsvolles bleibt gern liegen! Tendenz weg von der Mathematik hin zu MATLAB, hin zur Programmierung ist nicht kontrollierbar! Steuerung, Qualitätssicherung: individuell, aufwändig! verschiedenartige Beiträge diffizile Benotung! Dennoch: bei günstiger Gelegenheit Anderes jederzeit wieder!

19 Exact Modeling of the References [1] C.T. Kelly: Iterative Methods for Optimization; SIAM [2] K. Levenberg: A Method for the Solution of Certain Problems in Least Squares; Quart. Appl. Math., 1944, Vol 2, [3] K. Madsen, H.B. Nielsen, O. Tingleff: Methods for Nonlinear Least Squares Problems; IMM, Technical University of Denmark 2004 www2.imm.dtu.dk/pubdb/views/edoc_download.php/3215/pdf [4] D. Marquardt: An Algorithm for Least Squares Estimation of Nonlinear Parameters; SIAM J. Appl. Math., 1963, Vol 11, [5] John A. Nelder, R. Mead: A Simplex Method for Function Minimization; Computer Journal 1965, Vol 7, [6] A. Ranganathan: The Levenberg-Marquardt Algorithm; [7] Th. Risse: Equilibria of Systems of Springs; LSBU, March 22 nd [8] Th. Risse: Protokoll zur Veranstaltung Mathe3 im SS12; HSB