Numerik gewöhnlicher Differentialgleichungen

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1 Numerik gewöhnlicher Differentialgleichungen Oliver Ernst Professur Numerische Mathematik Wintersemester 2016/17

2 Inhalt I 1 Einleitung 1.1 Volterras Prinzip 1.2 Begriffe und theoretische Resultate 1.3 Lineare Differenzengleichungen 1.4 Matrixfunktionen 1.5 Systeme linearer Differentialgleichungen erster Ordnung 1.6 Die Fälschungen des Han van Meegeren 1.7 Weitere Beispiele Das Euler-Verfahren 2.2 Eine Sammlung von Beispielverfahren 2.3 Konvergenz, Konsistenz und Stabilität 2.4 Der Hauptsatz 2.5 Einschrittverfahren 2.6 Numerische Experimente 3 Lineare Mehrschrittverfahren 3.1 Begriffe 3.2 Konsistenzordnung linearer Mehrschrittverfahren Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/17 6 / 294

3 Inhalt II 3.3 Die erste Dahlquist-Barriere 3.4 Die Verfahren von Adams-Bashforth und Adams-Moulton 3.5 Prädiktor-Korrektor-Verfahren 3.6 Absolute Stabilität 3.7 BDF-Verfahren 4 Runge-Kutta-Verfahren 4.1 Konstruktion 4.2 Konsistenzordnung 4.3 Absolute Stabilität 4.4 Eingebettete Runge-Kutta-Verfahren 4.5 Implizite und halb-implizite Verfahren 4.6 Kollokationsmethoden 5 Steife Differentialgleichungen 5.1 Was sind steife Differentialgleichungen? 5.2 Stabilitätsbegriffe 5.3 Ordnungssterne 5.4 Lineare MSV für steife Probleme Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/17 7 / 294

4 Inhalt III 5.5 RKV für steife Probleme 5.6 Nichtlineare Stabilitätstheorie 6 Ausblick Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/17 8 / 294

5 Inhalt 1 Einleitung 2 3 Lineare Mehrschrittverfahren 4 Runge-Kutta-Verfahren 5 Steife Differentialgleichungen 6 Ausblick Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/17 91 / 294

6 6 Ausblick Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/17 92 / 294 Inhalt 1 Einleitung Das Euler-Verfahren 2.2 Eine Sammlung von Beispielverfahren 2.3 Konvergenz, Konsistenz und Stabilität 2.4 Der Hauptsatz 2.5 Einschrittverfahren 2.6 Numerische Experimente 3 Lineare Mehrschrittverfahren 4 Runge-Kutta-Verfahren 5 Steife Differentialgleichungen

7 Das Euler-Verfahren Wir betrachten das AWP y 1 f pt, yq, ypt 0 q y 0. (AWP) Unter den Voraussetzungen von Satz 1.1 besitzt es eine eindeutige Lösung, sagen wir über dem Intervall I. Wir wollen diese Lösung yptq für t P rt 0, t end s Ď I durch das Euler-Verfahren 14, auch Euler-Cauchy-Verfahren 15 oder Polygonzug-Verfahren, den Prototyp eines numerischen Verfahrens zur Lösung von AWPen, approximieren. Wie alle numerischen Methoden, die hier besprochen werden, basiert das Euler-Verfahren auf der Idee der Diskretisierung: Statt (AWP) über rt 0, t end s zu lösen, geben wir uns damit zufrieden, Näherungswerte für die Lösung auf einer diskreten Teilmenge zu bestimmen. 14 Leonhard Euler ( ) 15 Augustin Louis Cauchy ( ) tt n : n 0, 1,..., Nu Ă rt 0, t end s Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/17 93 / 294

8 Das Euler-Verfahren Wähle N P N, h pt end t 0 q{n und definiere t n : t 0 ` nh, n 0, 1,..., N, d.h. t 0 ă t 1 ă t n 1 ă t N t end. Die Zahl h ą 0 heißt Schrittweite. (Nur der Bequemlichkeit wählen wir die Schrittweite h zunächst konstant.) Bezeichnet nun y n einen Näherungswert für ypt n q, n 0, 1,..., N 1, dann ist (falls y P C 2 rt 0, t end s) ypt n`1 q ypt n ` hq ypt n q ` hy 1 pt n q ` 1 2 h2 y 2 pξq «ypt n q ` hy 1 pt n q ypt n q ` hf pt n, ypt n qq «y n ` hf pt n, y n q. Euler-Verfahren y 0 gegeben, y n`1 : y n ` hf pt n, y n q, n 0, 1,..., N 1. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/17 94 / 294

9 Das Euler-Verfahren Zur Veranschaulichung einer GDG 1. Ordnung y 1 fpt, yq wird oft das assoziierte Richtungsfeld herangezogen: In jedem Punkt pt, yq wird ein Pfeil gezeichnet, der von dort aus in Richtung der Steigung y 1 fpt, yq weist. Der Graph der Lösung des AWPs y 1 fpt, yq, ypt 0 q y 0, muss einerseits das Richtungsfeld respektieren (d.h. die Tangenten an den Graphen sind Elemente des Richtungsfelds), andererseits den Punkt pt 0, y 0 q enthalten. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/17 95 / 294

10 Das Euler-Verfahren 4 Richtungsfeld von y =t(y 2) und Loesungen mit Anfangswerten y(0) = 1:0.5:3 Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/17 96 / 294

11 Das Euler-Verfahren Die nächste Abbildung zeigt, wie das Euler-Verfahren die logistische Gleichung y 1 yp1 yq, yp0q 1 10, löst. Statt der exakten Trajektorie zu folgen (was natürlich unmöglich ist), produziert das Euler-Verfahren eine stückweise lineare Lösung (einen Polygonzug). An der Stelle t 0 0 arbeitet das Euler-Verfahren mit der richtigen Steigung fpt 0, y 0 q 9{100, bereits an der Stelle t 1 ist die Steigung falsch. In späteren Schritten entfernt man sich (potentiell) immer weiter von der exakten Lösung. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/17 97 / 294

12 Das Euler-Verfahren 0.9 Euler Verfahren y =y(1 y), y(0)=1/10 Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/17 98 / 294

13 Das Euler-Verfahren Konvergiert das Euler-Verfahren, d.h. strebt die Näherungslösung für h Ñ 0 gegen die exakte Lösung yptq? Formal: Zu jedem Wert von h ą 0 gehört eine Folge von Näherungen y n y n phq, n 0, 1,..., Nphq : floorppt end t 0 q{hq. Das Verfahren heißt konvergent (in rt 0, t end sq, wenn gilt lim hñ0` max }y nphq ypt n q} 0. 0ďnďNphq (Konv) Satz 2.1 Unter den Voraussetzungen von Satz 1.1 konvergiert das Euler-Verfahren. Genauer: max 0ďnďNphq }y nphq ypt n q} Ophq für h Ñ 0. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/17 99 / 294

14 Das Euler-Verfahren exakte Loesung Schrittweite h 0 Schrittweite h 1 Schrittweite h 2 t_0 t Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

15 Modifiziertes und verbessertes Euler-Verfahren Die Idee dieser beiden Verfahren macht man sich leicht im Richtungsfeld klar. Modifiziertes Euler-Verfahren y 0 gegeben, y n`1 : y n ` hf `t n ` 1 2 h, y n ` 1 2 hf pt n, y n q pn 0, 1,..., N 1q. Verbessertes Euler-Verfahren (Verfahren von Heun) y 0 gegeben, y n`1 : y n ` 1 2 hrf pt n, y n q ` f pt n ` h, y n ` hf pt n, y n qqs pn 0, 1,..., N 1q. Auch das modifizierte und das verbesserte Euler-Verfahren konvergieren: Eine triviale Modifikation des Beweises von Satz 2.1 zeigt, dass für diese Verfahren sogar max 0ďnďNphq }y n phq ypt n q} Oph 2 q gilt. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

16 Das Euler-Verfahren exakte Loesung Euler Verfahren modifiziertes Euler Verf. verbessertes Euler Verf Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

17 6 Ausblick Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294 Inhalt 1 Einleitung Das Euler-Verfahren 2.2 Eine Sammlung von Beispielverfahren 2.3 Konvergenz, Konsistenz und Stabilität 2.4 Der Hauptsatz 2.5 Einschrittverfahren 2.6 Numerische Experimente 3 Lineare Mehrschrittverfahren 4 Runge-Kutta-Verfahren 5 Steife Differentialgleichungen

18 Eine Sammlung von Beispielverfahren Wir werden nun eine Reihe numerischer Verfahren zur Lösung von AWPen angeben (nicht alle davon sind für einen praktischen Einsatz geeignet), um später auf eine gewisse Anzahl von Beispielen zurückgreifen zu können. Beispiel 1 y n`1 y n 1 4 hpk 1 ` 3k 3 q mit k 1 f pt n, y n q, k 2 f pt n ` 1 3 h, y n ` 1 3 hk 1q, k 3 f pt n ` 2 3 h, y n ` 2 3 hk 2q. (2.1) Dieses Verfahren ist ein Einschrittverfahren (zur Berechnung von y n`1 ist nur die Kenntnis von y n erforderlich). Es ist explizit, d.h. nach y n`1 aufgelöst. Es gehört zur Klasse der Runge-Kutta-Verfahren Carl Runge ( ), Martin Kutta ( ) Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

19 Eine Sammlung von Beispielverfahren Beispiel 2 y n`1 y n 1 2 hpk 1 ` k 2 q mit k 1 f pt n, y n q, k 2 f pt n ` h, y n ` 1 2 hk 1 ` 1 2 hk 2q (2.2) ist ebenfalls ein Einschrittverfahren der Runge-Kutta-Klasse. Im Gegensatz zu (2.1) ist es aber implizit, d.h. um y n`1 zu bestimmen, muss ein (im Allgemeinen nichtlineares) Gleichungssystem gelöst werden. Beispiel 3 y n`2 y n`1 1 3 h r3f pt n`1, y n`1 q 2f pt n, y n qs (2.3) ist ein explizites Zweischrittverfahren: Man benötigt y n und y n`1, um y n`2 zu bestimmen. Es gehört zur Familie der linearen Mehrschrittverfahren. Neben y 0 ist hier zusätzlich y 1 (ein sog. Anlaufstück) erforderlich, was man sich üblicherweise mit Hilfe eines Einschrittverfahrens beschafft. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

20 Eine Sammlung von Beispielverfahren Auch Beispiel 4 y n`2 ` y n`1 2y n 1 4 h rf pt n`2, y n`2 q ` 8f pt n`1, y n`1 q ` 3fpt n, y n qs (2.4) ist ein lineares Mehr- (genauer: Zwei-) Schrittverfahren. Es ist implizit. Beispiel 5 y n`3 ` 1 4 y n`2 1 2 y n`1 3 4 y n 1 8 hr19f pt n`2, y n`2 q ` 5f pt n, y n qs (2.5) stellt ein explizites lineares Dreischrittverfahren dar. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

21 Eine Sammlung von Beispielverfahren Beispiel 6 y n`2 y n hrf pt n`2, y n`2q ` f pt n, y n qs mit y n`2 3y n`1 ` 2y n 1 2 hrf pt n`1, y n`1 q 3f pt n, y n qs (2.6) ist ein Prädiktor-Korrektor-Verfahren, bei dem ein implizites Zweischrittverfahren (der Korrektor) mit einem expliziten Zweischrittverfahren (dem Prädiktor) kombiniert wird. Das zusammengesetzte Verfahren ist explizit. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

22 Eine Sammlung von Beispielverfahren Alle Verfahrensbeispiele haben die Struktur kÿ α j y n`j hφ f py n`k, y n`k 1,..., y n, t n ; hq j 0 (V) (wir normieren im Folgenden durch α k : 1) mit und Φ f 0 py n`k, y n`k 1,..., y n, t n ; hq 0 (V 1 ) }Φ f py n`k,..., y n, t n ; hq Φ f py n`k,..., y n, t n ; hq} ď M kÿ }y n`j y n`j}. (V 2 ) Die Eigenschaft (V 2 ) ist eine Folge der Lipschitz-Stetigkeit von f (vgl. Satz 1.1), die immer vorausgesetzt wird. Wir werden ausschließlich numerische Verfahren untersuchen, die die Struktur (V) besitzen und dabei den Bedingungen (V 1 ) und (V 2 ) genügen. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294 j 0

23 6 Ausblick Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294 Inhalt 1 Einleitung Das Euler-Verfahren 2.2 Eine Sammlung von Beispielverfahren 2.3 Konvergenz, Konsistenz und Stabilität 2.4 Der Hauptsatz 2.5 Einschrittverfahren 2.6 Numerische Experimente 3 Lineare Mehrschrittverfahren 4 Runge-Kutta-Verfahren 5 Steife Differentialgleichungen

24 Konvergenz Definition 2.2 (Konvergenz) Das Verfahren (V) heißt konvergent, wenn gilt, und zwar lim y n lim y n phq yptq hñ0 hñ0 t t 0`nh t t 0`nh für alle AWPe, die den Voraussetzungen von Satz 1.1 genügen (y ptq bezeichnet die Lösung eines solchen AWPs), gleichmäßig für alle t P rt 0, t end s, für alle Lösungen ty n phqu ty n u von (V) mit Anfangswerten y 0 phq,..., y k 1 phq, die lim hñ0 y j phq y 0, j 0,..., k 1, erfüllen. Äquivalent: lim hñ0 max }ypt nq y n phq} 0. 0ďnďN Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

25 Lokaler Diskretisierungsfehler, Residuum Setzt man die exakte Lösung in (V) ein, so werden linke und rechte Seite nicht übereinstimmen. Es ergibt sich ein Residuum kÿ R n`k : α j ypt n`j q hφ f pypt n`k q, ypt n`k 1 q,..., ypt n q, t n ; hq. j 0 R n`k ist eng verknüpft mit dem lokalen Diskretisierungsfehler T n`k. Unter der Lokalisierungsannahme liefert (V) in Schritt n ` k: y n`j ypt n`j q für j 0, 1,..., k 1 k 1 ÿ ŷ n`k ` α j ypt n`j q hφ f pŷ n`k, ypt n`k 1 q,..., ypt n q, t n ; hq. j 0 Für die exakte Lösung gilt hingegen k 1 ÿ ypt n`k q ` α j ypt n`j q hφ f pypt n`k q,..., ypt n q, t n ; hq ` R n`k. j 0 Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

26 Lokaler Diskretisierungsfehler, Residuum Definiert man nun T n`k : ypt n`k q ŷ n`k (Vorsicht: die Definition ist nicht einheitlich in der Literatur), so folgt T n`k h rφ f pypt n`k q,..., ypt n q, t n ; hq Φ f pŷ n`k, ypt n`k 1 q,..., ypt n q, t n ; hs ` R n`k. In speziellen Fällen (lineare Mehrschrittverfahren) kann man die rechte Seite mit dem Mittelwertsatz weiter bearbeiten. Immer folgt aus (V 2 ) }T n`k } ď hm}t n`k } ` }R n`k } und damit p1 hmq}t n`k } ď }R n`k }. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

27 Lokaler Diskretisierungsfehler, Residuum y(t n+1 ) globaler DF y(t n ) z(t n+1 ) lokaler DF y n+1 y n t n t n+1 Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

28 Konsistenz Definition 2.3 (Konsistenz) Das Verfahren (V) heißt konsistent [mit (AWP)], wenn 1 h R n`k 0 lim hñ0 t t 0`nh für alle AWPe gilt, die den Voraussetzungen von Satz 1.1 genügen. Satz 2.4 (Konsistenzbedingung) Das Verfahren (V) ist genau dann konsistent, wenn gilt und kÿ α j 0 (K 1 ) j 0 ÿ k jα j jf pt n, ypt n qq Φ f pypt n q,..., ypt n q, t n ; 0q. (K 2 ) j 0 Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

29 Konsistenz Das zum Verfahren (V) gehörende erste charakteristische Polynom ist durch ρpζq α k ζ k ` α k 1 ζ k 1 ` ` α 1 ζ ` α 0 definiert. Hiermit läßt sich Satz 2.4 kompakter formulieren: Satz 2.5 (Konsistenzbedingung ) Das Verfahren (V) ist genau dann konsistent, wenn gilt und ρp1q 0 (K 1 1) f pt n, ypt n qq Φ f pypt n q,..., ypt n q, t n ; 0q ρ 1. (K 1 p1q 2) Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

30 Beispiel zu Konsistenz Wir betrachten als Beispiel das AWP y 1 y, yp0q 1 mit Lösung yptq expp tq. Das implizite Zweischrittverfahren y n`2 p1 ` αqy n`1`αy n ist konsistent (für jedes α P Rq: 1 2 hrfpt n`2, y n`2 q ` p1 αqfpt n`1, y n`1 q αfpt n, y n qs ρp1q 1 p1 ` αq ` α 0, Φ f pypt n q, ypt n q, ypt n q, t n ; 0q{ρ 1 p1q 1 2 p2 2αqfpt n, ypt n qq{p2 p1 ` αqq Lösung mit Anfangswerten y 0 y 1 1: fpt n, ypt n qq. p1 ` 1 2 hqy n`2 r1 ` α 1 2 p1 αqhsy n`1 ` αp1 1 2 hqy n 0 ( ) (Differenzengleichung zweiter Ordnung mit konstanten Koeffizienten). Allgemeine Lösung: y n c 1 ξ n 1 ` c 2 ξ n 2, ξ 1 α und ξ 2 p1 1 2 hq{p1 ` 1 2 hq. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

31 Beispiel zu Konsistenz Störe nun ( ) (Rundungsfehler, δ ą 0): p1 ` 1 2 hqz n`2 r1 ` α 1 2 p1 αqhsz n`1 ` αp1 1 2 hqz n hδ z 0 1 ` δ, z 1 1 ` δ. ( 1) Allgemeine Lösung: z n c 1 ξ n 1 ` c 2 ξ n 2 ` # δ{p1 αq, falls α 1, nδ, falls α 1. Fall 1: α 1 mit z n 1 γ rµpδqξn 1 ` νpδqξ n 2 s ` δ 1 α γ 1 α hp1 ` αq{2, µpδq hrαδ{p1 αq 1s, νpδq r1 αp1 ` δqsp1 ` h{2q. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

32 Beispiel zu Konsistenz Ersetze δ durch δ, ergibt Lösung tz nu statt tz n u. Fall 1a: 1 ď α ă 1, z n z n ď für alle h ď h 0 2p1 αq{p1 ` αq. h{p1 αq ` 1 ` h{2 1 α hp1 ` αq{2 ` 1 j δ δ 1 α Fall 1b: α ą 1 tz n z nu ist unbeschränkt für h Ñ 0. Fall 2: α 1 z n 1 ` h 2 2h δ ` h ` 2 2h δ und tz n z nu ist unbeschränkt für h Ñ 0. n ˆ1 h{2 ` nδ 1 ` h{2 Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

33 Beispiel zu Konsistenz 1 α = α = h= h=0.05 h=0.02 h= exakt α = α = Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

34 Stabilität Definition 2.6 (Stabilität) Seien tδ plq n u n 0,1,...,N, l 1, 2, zwei beliebige Störungen der Differenzengleichung (V) und seien tzn plq u, l 1, 2, die Lösungen von kÿ j 0 α j y n`j hrφ f py n`k, y n`k 1,..., y n, t n ; hq ` δ plq n`k s, y plq j y j phq ` δ plq j pj 0, 1,..., k 1q. (V δ ) Die Methode (V) heißt stabil, wenn es positive Konstanten S und h 0 gibt mit p1q max }zn 0ďnďN für alle h P p0, h 0 s und alle zulässigen f. zn p2q } ď S max 0ďnďN }δp1q n δ p2q n } Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

35 Stabilität Bemerkungen. (1) Stabilität bedeutet, dass die Differenzengleichung sachgemäß gestellt ist (vgl. Satz 1.1 und 1.2, wo gezeigt wird, dass die Bedingung (Lip) garantiert, dass das (AWP) sachgemäß gestellt ist). (2) Stabilität ist ein Muss für Rechnungen in Gleitpunktarithmetik. Das Verfahren (V) erfüllt die Wurzelbedingung, wenn sämtliche Nullstellen ξ seines ersten charakteristischen Polynoms betragsmäßig kleiner oder gleich 1 sind, und zusätzlich aus ξ 1 stets folgt, dass ξ eine einfache Nullstelle ist. Satz 2.7 (Stabilität ô Wurzelbedingung) Das Verfahren (V) ist genau dann stabil, wenn es die Wurzelbedingung erfüllt. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

36 6 Ausblick Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294 Inhalt 1 Einleitung Das Euler-Verfahren 2.2 Eine Sammlung von Beispielverfahren 2.3 Konvergenz, Konsistenz und Stabilität 2.4 Der Hauptsatz 2.5 Einschrittverfahren 2.6 Numerische Experimente 3 Lineare Mehrschrittverfahren 4 Runge-Kutta-Verfahren 5 Steife Differentialgleichungen

37 Der Hauptsatz Satz 2.8 (Dahlquist) Das Verfahren (V) ist genau dann konvergent, wenn es konsistent und stabil ist. Oder kürzer: Konsistenz & Stabilität ô Konvergenz. Bemerkungen. (1) Der Beweis zeigt, dass der globale Diskretisierungsfehler max 0ďnďN }ypt n q y n phq} bei stabilen Verfahren von der Ordnung p ist, wenn max R n`k{h Oph p q 0ďnďN k max }ypt nq y n phq} Oph p q 0ďnďk 1 (Konsistenzordnung p) und (Anfangswerte) gelten. (2) Ob ein Verfahren konvergent ist, kann jetzt rein algebraisch nachgeprüft werden (i.w. über die Nullstellen des ersten charakteristischen Polynoms). Germund Dahlquist ( ) Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

38 6 Ausblick Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294 Inhalt 1 Einleitung Das Euler-Verfahren 2.2 Eine Sammlung von Beispielverfahren 2.3 Konvergenz, Konsistenz und Stabilität 2.4 Der Hauptsatz 2.5 Einschrittverfahren 2.6 Numerische Experimente 3 Lineare Mehrschrittverfahren 4 Runge-Kutta-Verfahren 5 Steife Differentialgleichungen

39 Einschrittverfahren Ein Einschrittverfahren hat die Form y n`1 y n ` hφ f py n`1, y n, t n ; hq. (ESV) Es ist immer stabil, also genau dann konvergent, wenn es konsistent ist. Ist 1 h R n`1 ypt n`1q ypt n q Φ f pypt n`1 q, ypt n q, t n ; hq Oph p q ph Ñ 0q, h so besitzt es (mindestens) die Konsistenzordnung p. Das Euler-Verfahren besitzt die Konsistenzordnung 1, denn: ypt n`1 q ypt n q h f pt n, ypt n qq hy 1 pt n q ` 1 2 h2 y 2 pξ n q y 1 pt n q 1 h 2 hy 2 pξ n q. Ist f p-mal stetig differenzierbar, so kann man Einschrittverfahren der Konsistenzordnung p mit der Methode des Taylor-Abgleichs konstruieren: Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

40 Einschrittverfahren Man entwickelt die (unbekannte) Lösung ypt n ` hq formal nach Potenzen von h, ypt n ` hq ypt n q ` hy 1 pt n q ` 1 2 h2 y 2 pt n q `, und nutzt aus, dass y 1 ptq f pt, yptqq gilt, z.b. y 1 pt n q f pt n, ypt n qq, y 2 pt n q f t pt, yptqq t tn ` f y pt, yptqqy 1 ptq t tn f t pt n, ypt n qq ` f y pt n, ypt n qqf pt n, ypt n qq. Bricht man etwa nach dem zweiten Term ab, so ergibt sich mit y n`1 y n ` h f pt n, y n q ` 1 2 h pf tpt n, y n q ` f y pt n, y n qf pt n, y n qq ein Verfahren zweiter Ordnung. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

41 Einschrittverfahren Es ist klar, dass man dieses Verfahren (oder entsprechende Verfahren für p ą 2) nur dann verwenden kann, wenn f einfach zu differenzieren ist (oder mittels automatische Differentiation). Für die skalare GDG y 1 ptq typtq ergibt sich z.b. y n`1 y n 1 ` 1 2 h2 ` ht n ` 1 2 h2 t 2 n im Fall von p 2 und y n`1 y n 1 ` 1 2 h2 ` ht n ` 1 2 h2 t 2 n ` 1 2 h3 t n ` 1 6 h3 t 3 n im Fall von p 3. Für p 1 erhält man stets das Euler-Verfahren. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

42 Einschrittverfahren Für dieses Beispiel ergibt sich mit Anfangsbedingung yp0q 1, d.h. mit exakter Lösung yptq exppt 2 {2q als (normalisierter) globaler Diskretisierungsfehler h p max ypt nq y n 0ďnďN für die Taylor-Verfahren der Ordnung p P t1, 2, 3u: N h p 1 p 2 p e e e e e e e e e e e e e e e e-1 Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

43 6 Ausblick Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294 Inhalt 1 Einleitung Das Euler-Verfahren 2.2 Eine Sammlung von Beispielverfahren 2.3 Konvergenz, Konsistenz und Stabilität 2.4 Der Hauptsatz 2.5 Einschrittverfahren 2.6 Numerische Experimente 3 Lineare Mehrschrittverfahren 4 Runge-Kutta-Verfahren 5 Steife Differentialgleichungen

44 Numerische Experimente Wir werden jetzt die Verfahren aus Abschnitt 2 (ab Seite 104) an folgendem AWP testen: y 1 1 y 2 y 1 2 y 2py 2 1q y 1 mit den Anfangsbedingungen y 1 p0q 1 2, y 2 p0q 3. Die Lösung wird für t P r0, 1s gesucht. Die exakte Lösung lautet y 1 ptq r1 ` 3 expp 8tqs{8, y 2 ptq 3 expp 8tq. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

45 Numerische Experimente 0.5 Numerische Experimente: Exakte Loesung y 1 (t)=(1+3exp( 8t))/8 y 2 (t)= 3exp( 8t) Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

46 Numerische Experimente zu Beispiel 4: Für ρpζq ζ 2 ` ζ 2 pζ 1qpζ ` 2q gelten ρp1q 0 und Φ f pypt n q, ypt n q, ypt n q, t n ; 0q ρ 1 p1q Die Methode ist also konsistent, aber instabil. 3f pt n, ypt n qq 3 t h 0.1 h 0.05 h h e e e e e e e e e e e e e e e+05 Inf e e e+10 f pt n, ypt n qq. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

47 Numerische Experimente zu Beispiel 3: Für ρpζq ζ 2 ζ pζ 1qζ gelten ρp1q 0 und Φ f pypt n q, ypt n q, ypt n q, t n ; 0q ρ 1 p1q Die Methode ist also stabil, aber inkonsistent. f pt n, ypt n qq{3 1 t h 10 1 h 10 2 h 10 3 h e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e 01 f pt n, ypt n qq. 3 Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

48 Numerische Experimente Die Methode ist aber konsistent mit dem AWP y 1 f pt, yq{3, yp0q y 0. Für den Abstand zu dessen exakter Lösung ỹptq rp1 ` 3 expp 8t{3qq{8, 3 expp 8t{3qs J ergibt sich: t h 10 1 h 10 2 h 10 3 h e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e 04. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

49 Numerische Experimente zu Beispiel 5: Für ρpζq ζ 3 ` ζ 2 {4 ζ{2 3{4 pζ 1qpζ ` 5{8?23i{8qpζ ` 5{8 `?23i{8q gelten ρp1q 0 und Φ f pypt n q, ypt n q, ypt n q, t n ; 0q ρ 1 p1q 3f pt n, ypt n qq 3 Die Methode ist also konsistent und stabil, damit konvergent. t h 0.1 Ò h 0.05 Ò h Ó h Ó e e e e e e e e e e e e e e e e e e e 07 f pt n, ypt n qq. Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

50 Numerische Experimente zu Beispiel 6: Die Methode ist konsistent und stabil, also konvergent. t h 10 1 h 10 2 h e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

51 Numerische Experimente zu Beispiel 1: Die Methode ist konsistent und stabil, also konvergent. t h 0.4 Ò h 0.2 Ó h 0.1 Ó h 0.05 Ó e e e e e e e e e e e e e e e e e e+01 Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294

52 Numerische Experimente zu Beispiel 2: Die Methode ist konsistent und stabil, also konvergent. t h 0.8 Ó h 0.4 Ó h 0.2 Ó h 0.1 Ó e e e e e e e e e e e e e e e e e 04 Oliver Ernst (Numerische Mathematik) ODE Wintersemester 2016/ / 294