Eine DG ist eine Gleichung, die Ableitungen der gesuchten Funktion enthält.

Transkript

1 C7 Differentgleichungen (DG) (enthalten Ableitungen der gesuchten Funktionen) [Stoffgliederung im Skript für Kapitel C7 weicht ab vom Altland-Delft-Text] C7.1 Was ist eine DG, wozu wird sie gebraucht? Eine DG ist eine Gleichung, die Ableitungen der gesuchten Funktion enthält. Beispiele: In der Physik treten solche Gleichungen immer dann auf, wenn es möglich ist, die Änderungen von physikalischen Größe bezüglich Ort und/oder Zeit (also ihre Ableitungen) in Bezug zu setzen zu anderen physikalischen Größen. Eine DG zu 'lösen' bedeutet, eine Funktion zu finden, die die DG erfüllt. Dafür gibt es viele verschiedene Strategien, je nach Form der DG. Gelingt es, die DG zu 'lösen', ist das Verhalten der entsprechenden physikalischen Größen als Funktion von Ort und/oder Zeit vollständig bekannt. Da ist in der Regel auch das zugrundeliegende physikalische Problem in der Regel 'gelöst'. Beispiel 1: Radioaktiver Zerfall Zerfallsrate (proportional zur Zahl der Atome!) Zahl der radioaktiven Atome Zerfallskonstante [Dimension: 1/Zeit] Anfangswert: Aufgabe: finde Lösung: Schlau geraten: welche Funktion ist proportional zu ihrer Ableitung? Exponentialfunktion! Also Ansatz: = Atome zum Zeitpunkt Grafische Analyse: Steigung negativ Steigung weniger negativ kleines größeres (3) in (1): Anfangswert: Gesuchte Lösung:

2 Nomenklatur: Beispiel: Gewöhnliche DG: nur eine Variable Partielle DG: mehrere Variablen DG 1. Ordnung: nur Ableitungen 1. Ordnung DG 2. Ordnung: Ableitungen bis zu 2. Ordnung System von DG: m > 1 gekoppelte Gleichungen: Lineare DG: linear in gesuchter Funktion Nicht-lineare DG: nicht-linear in gesuchter Funktion Beispiele: wichtige Differentialgleichungen in der Physik Mechanik: Newton 2 (gewöhnliche DG 2. Ordnung): (gesuchte Funktion hängt nur von einer Variable ab, hier t) (Ableitungen 2. Ordnung kommen vor) in 1. Dimension: Masse Ort Kraft in 3. Dimensionen: Ortsvektor (ein 'System' von DG) Elektrodynamik: Maxwell-Gleichungen (gekoppelte partielle DG 1. Ordnung) (gesuchte Funktion hängt von mehreren Variablen ab, hier x,y,z,t) (nur Abl. 1. Ordnung kommen vor) Ladungsdichte Magnetfeld Stromdichte Elektrisches Feld

3 Quantenmechanik: Schrödinger-Gleichung (partielle DG 2. Ordnung) 'Wellenfunktion' Masse Potential Hydrodynamik: Navier-Stokes-Gleichung (nicht-lineare partielle DG 2. Ordnung) (gesuchte Funktion kommt nicht nur linear vor) Dichte Geschwindigkeitsfeld einer Flüssigkeit: Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen einer DG? Ist in der Physik immer gewährleistet, falls Problem physikalisch sinnvoll gestellt ist! C7.3' Allgemeine Lösungstrategien für Differentialgleichungen 1. Ordnung (a) Trivialfall: rechte Seite der DG ist unabhängig von x Integration: Substitution auf linker Seite: Lösung: Fazit: Das Lösen von (1) entspricht dem Finden der Stammfunktion v. g(t)

4 (b) Separable DG: WICHTIG! x- und t-abhängigkeit auf rechter Seite faktorisiert x-abhängigkeit nach links: Integration: Substitution: Eselsbrücke als Abkürzung der Substitution: 'Trennung der Variablen' x links t rechts Ausgedrückt durch Stammfunktionen: gemeint ist: Umkehrfunktion: Alternative zu (6): (8)-(9) liefert (6). Beispiel 1: Grafische Analyse Bereich: Steigung Trennen: Integrieren: divergiert wie verschwindet wie Anfangsbedingung (2): Umkehrfunktion = gesuchte Lösung: Steigung [für t > würde (7) die Lösung x(t), liefern, was nicht erlaubt ist, da x(t) > x(0) = 1] Fazit: Lösung existiert nur f

5 7.3 Lineare Differentialgleichungen Einstiegsbeispiel: Gedämpfter harmonischer Oszillator [AD-Text C7.6] Unendlich viele Anwendungen in der Physik, auch außerhalb der Mechanik! Bewegungsgleichung: Dämpfungsrate: Einheit: Kreisfrequenz des Oszillators: Einheit: Antriebskraft: Wo kommt Gl. (1) her? Einige Beispiele aus der Physik 1. Beispiel: Feder Rückstellkraft proportional zur Auslenkung: Federkonstante Verschobene Koordinaten: Gleichgewichtsposition (4) hat HO-Form (1), Die Rückstellkraft (a.2) entspricht einem quadratischen Potential: Wichtig: Quadratisches Potenzial HO Allgemeiner: Oszillationen um Potentialminimum sei Potential lokalem Minimum bei : Def. eines Extremums: Taylor-Entwicklung um In Koordinaten: HO-Schwingungen um Frequenz:

6 Beispiel für Dämpfung: Definierende Gleichung: Reibungskraft zeigt immer gegen die Geschwindigkeit: Reibungskonstante: (hängt von Details des Reibungsmechanismus ab). Flüssigkeit Beispiel für Antriebskraft: Motor treibt Kolben, der an Feder befestigt ist: Flüssigkeit Vorschau auf HO Lösungen Ohne Dämpfung, ohne Antrieb: Funktion ist proportional zu ihrer 2. Ableitung schlau geraten oder Lösung 1: Lösung 2: Check: Check: Die beiden Lösungen unterscheiden sich in ihren Anfangsbedingungen:

7 Eine Lösung vorgegebenen Anfangsbedingungen, Anfangsposition: Anfangsgeschwindigkeit: lässt sich konstruieren als Linearkombination der cos und sin Lösungen: [Grund: "Superpositionsprinzip", siehe Seite C7.3k] explizit: erfüllt (3) und (4): Allgemeine Faustregel: für DG n. Ordnung ist Lösung erst dann eindeutig bestimmt, wenn man n 'Anfangsdaten' festgelegt hat, z.b. Falls Dämpfung und/oder Antriebskraft vorhanden ist, läßt sich Lösung nicht so leicht erraten. Wir brauchen also eine systematische Lösungstrategie. Betrachte zunächst Fall ohne Antrieb [Mit Antrieb: nächstes Mal] Homogene lineare DG Die HO-Gleichung (3.1) ohne Antrieb ist ein Beispiel einer homogenen, linearen DG. 'linear': x(t) und Ableitungen davon kommen nur zur ersten Potenz vor. 'homogen': x-unabhängige Terme kommen nicht vor HO Antriebskraft wäre eine 'inhomogene' DG: 'Inhomogenität' Allgemeine Form einer homogenen, linearen DG: n-fache Ableitung Koeffizienten können zeitabhängig sein homogen: kein x- unabhängiger Term Lösung solcher Gleichungen ist möglich tels Nutzung folgender Schritte/Prinzipien: (i) Rückführung auf System v. DG 1. Ordnung (ii) Superpositionsprinzip (iii) Berücksichtigung v. Anfangsbedingungen Falls Koeffizienten zeitunabhängig sind: (iv) Exponentialansatz & Rückführung auf Eigenwertproblem (v) Komplexe Lösungen als Hilfstel zur bequemen Konstruktion reeller Lösungen

8 (i) Rückführung auf System v. DG 1. Ordnung HO-Gleichung ist äquivalent zu: Matrixnotation: Kompaktnotation: Für HO sind die Koeffizienten der A-Matrix konstant (zeit-unabhängig) Zwischenbemerkung 1: Mit analoger Strategie lässt sich allgemeine homogene lineare DG (3f.2) von Ordnung n, umschreiben in ein System von n linearen DG von Ordnung 1: Führe für jede höhere Ableitung eine neue Variable ein, Index oben für Komponenten eines Vektors (also keine Potenz!) dann lautet (3f.2): (2-7) sind ein System v. DG 1. Ordnung: ( zeitabhängigen Koeffizienten)

9 In Matrix-Notation: Zwischenbemerkung 2: Dieser Trick klappt sogar ganz allgemein (also auch für nicht-lineare, inhomegene DG): Allgemeinste Form für DG n. Ordnung: Führe für jede höhere Ableitung eine neue Variable ein, ganz allgemeine Funktion und erhalte so ein System v. DG 1. Ordnung: Matrix-Form (3i.1) folgt allerdings nur, falls G eine linaere Funktion der Argumente ist.

10 (ii) Superpositionsprinzip: [für lineare, homogene DG der Form (3i.2)] Seien und zwei beliebige Lösungen der DG (3i.2), d.h. (j ist kein Komponentenindex, sondern unterscheidet zwei Lösungen!) dann ist die 'Linearkombination' ebenfalls eine Lösung! Beweis: Was war hierfür notwendig? Linearität und Homogenität der DG. Konstante Koeffizienten sind nicht notwendig, d.h. Superpositionsprinzip gilt auch für zeitabhängige Koeffizienten, d.h. falls (iii) Berücksichtigung v. Anfangsbedingungen Gesucht: Lösungen von Anfangsbedingung: Strategie: Finde zunächst die Lösungen j-te Position für die n unabhängigen Anfangswertprobleme: Anfangsbedingung Dann ist die Lösung für das homogene Anfangswertproblem (1), (2), gegeben durch Check: (4) löst die DG (1), laut (3) und Superpositionsprinzip! (4) erfüllt Anfangsbedingung (2):

11 Konkret, für ungedämpften harmonischer Oszillator (3g.7) (3g.4) Lösung für Lösung für gut geratener Ansatz, siehe Seite 3d. (systematischer Lösungsweg für lineare DGL konstanten Koeff.: siehe Seite 3o.p-r) Allgemeine Lösung für Allgemeinere Aussage: die homogene lineare DG hat i.a. linear unabhängige Lösungen, (Definitionsbereich der Lösungen) d.h. falls (analog zur Definition von "linearer Unabhängigkeit" von Vektoren). Für zeitabhängige A-Matrix erfordert die Konstruktion einer Lösung von (1) fortgeschrittene Methoden (Fourier-Analysis) Im Folgenden betrachten wir als zeitunabhängige Koeffizienten:

12 (iv) Exponentialansatz und Eigenwertproblem zeitunabhängige Matrix Anfangsbedingung: Für n=1, lautet die homogene DGL, Lösung Für allgemeines n machen wir analogen exp-ansatz, aber Vektor-Vorfaktor: exp-ansatz: Zeitabhängigkeit nur im Exponenten! zeitunabhängiger Vektor, (4) in (1): Für nicht-triviale Lösung ( ) muss ein Eigenvektor von sein! ein Eigenwert von sein! Sei diagonalisierbar (andere Fälle diskutieren wir hier nicht). Dann existiert ein Satz von linear unabhängigen Eigenvektoren dazugehörigen Eigenwerten d.h. Allg. Lösung der homogenen DG ist Summe über alle Eigenlösungen: (laut Superpositionsprinzip) Anfangsbedingung: durch Anfangsbed. bestimmt (analog zu Gl. (l.4), statt ) i-komponente: sei Kompaktnotation: Also ist Lösungstragie: - Eigenwerte finden (Nullstellen des charakteristischen Polynoms finden, usw.) - Eigenvektoren finden - Konstanten so bestimmen, dass Anfangsbedingungen erfüllt sind.

13 Alternative Herleitung von Gl. (C7.3p4 & 9) explizit für n=3: Die Differentialgleichungen für sind durch die Matrix A "gekoppelt". Falls A diagonalisierbar ist, lassen sich die Gleichungen "entkoppeln", durch eine Basistransformation in die Eigenbasis von A: Sei eine Eigenbasis von A: Diagonalisierende Ähnlichkeitstransf.: Basistransformation in die Eigenbasis: und Rücktransformation: (p'.6) in Komponenten: explizit für n=3: Gleichungen sind entkoppelt, also ist Lösung einfach: Kompaktnotation: Rücktransformation: Explizit: Lösung: reproduziert (p.4) reproduziert (p.9)

14 Zusammenfassung: C7.3' Separable Differentialgleichungen Separable DG: (x- und t-abhängigkeit faktorisiert) Lösungsweg: Trennung der Variablen Trennen: Integrieren: Stammfunktionen: Nach x auflösen: Zusammenfassung: C7 Homogene lineare Differentialgleichungen Superpositionsprinzip (SP) für lineare, homogene DG: falls dann SP ist nützlich für Lösung v. Anfangswertproblem nämlich: wobei Für konstanten Koeffizienten: exp-ansatz: Zeitabhängigkeit nur im Exponenten! zeitunabhängiger Vektor, Ergebnis: Allg. Lösung der homogenen DGL ist Summe über alle Eigenlösungen: Eigenwertproblem!