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Vergleich DGL 2.Ordnung numerisch und analytisch lösen

 

Mandreas
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Beiträge: 6
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Wohnort: Berlin
Version: ---
     Beitrag Verfasst am: 16.11.2014, 16:12     Titel: Vergleich DGL 2.Ordnung numerisch und analytisch lösen
  Antworten mit Zitat      
Hallo,

ich suche nach einer Möglichkeit, wie man in Matlab eine numerische Lösung für eine DGL 2.Ordnung erzeugt, wo die Startwerte für y und y' an verschiedene Orten angegeben werden können.

Ein Beispiel hier aus der eindimensionalen Wärmeleitung mit Wärmequelle für einen Zylinder.

In der (letzten) Hoffnung eine elegante Antwort zu finden, benutzte ich hier bewusst x und y.

Code:


% DGL 2.Ordnung:

% y''+1/x*y'+1=0  

% mit den Randbedingungen an verschiedenen Orten (x):

% y(0.5)=0 mit y'(1)=0;

% 1. analytische Lösung
% Die DGL nach 0 umstellen und ohne Gleichheitszeichen!!!

Lsg_ana=dsolve('D2y+1/x*Dy+1','y(0.5)=0','Dy(1)=0','x')
% allgemeine Lösung der DGL
Lsg_ana_allg=dsolve('D2y+1/x*Dy+1','x');

% Plotten in den Workspace:
pretty(Lsg_ana);
pretty(Lsg_ana_allg);

   
   
% 2. numerische Lösung

% Name des Lsgsverfahrens(@(x,y) DGL in 1.Ordnung,
% [Startwert x,Endwert x],[Startwerte für y ,y']

% Mein erster Ansatz
% Vorgabe des Anfangswertes von y'=y_s=0; siehe oben

    y_s=0;
   
% die analytische und numerische Lösung weichen mit y_s=0 ab    
   
% Durch Rumprobieren lautet der Startwert für y'(0.5)=y_s=0.75;

% Führt den Code nun erneut mit auskommentierten und y_s=0.75 aus:
   

   % y_s=0.75;

% Nun sollten die analytische und numerische Lösung übereinstimmen!    


[x,y]=ode45(@(x,y)[y(2);-1/x*y(2)-1],[0.5,1],[0;y_s]);
   
     disp('y hat zwei Lösungen');
     y=y(:,1); % Daher wird die erste Lösung gewählt
     
     % Die Matlablösung (Lsg_ana) aus dem Workspace:
   
     y_ana=log(2)./2 + log(x)./2-(x.^2.*log(x))./2+(x.^2.*(log(x)-1./2))./2+1./16;
     
     % kleine Nachbesserung der Lösung von Matlab:
     
     y_ana_Nach=0.5.*log(x./0.5)-1/4.*(x.^2-0.25);
     
     
disp('Die beiden Lösungen stimmen zahlenmäßig überein');
disp('Matlab hat leider verpeilt dass x^2*log(x)-x^2*log(x)=0 ist');
subplot(2,1,1)
    plot(x,y,x,y_ana,x,y_ana_Nach)
    text(10,100000,'Werte liegen aufeinander');
    title('numerische Integration versus analytische Lösung','Fontsize',18)
    xlabel('X-Werte');
    ylabel('Y-Werte');
    legend('numerische Lösung','analytische Lösung','analytische Lösung Nachbesserung');


subplot(2,1,2)
    plotyy(x,y_ana_Nach-y_ana,x,y-y_ana)
    text(10,0,'Messfehler nimmt zu!!!');
    title('Rechenfehler numerische Integration versus analytische Lösung','Fontsize',18)
    xlabel('X-Werte');
    ylabel('absoluter Fehler');
    legend('analytische Nachbesserung minus analytisch','numerisch minus analytisch');
   
   



Meine Fragen lauten:

1. Wie hätte ich für die numerische Lösung den ode45 Befehl verwenden müssen, um direkt % y(0.5)=0 mit y'(1)=0; vorzugeben? Bei der analytische Lösung ist das ja einfach.dsolve('DGL,'y(0.5)=0','Dy(1)=0','x');

2. Gibt es eine elegante Lösung mit der Matlab den Anfangswert 0.75 an der Stelle 0,5 direkt selbst ermittelt? von y'(0.5)=0.75;

Ich würde mich sehr über eine Antwort freuen

P.S. Den Startwert für y'(0.5)=0.75 habe ich durch ausprobieren gefunden.

Gruß

Andreas
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Jan S
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Beiträge: 11.057
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Version: 2009a, 2016b
     Beitrag Verfasst am: 16.11.2014, 18:30     Titel: Re: Vergleich DGL 2.Ordnung numerisch und analytisch lösen
  Antworten mit Zitat      
Hallo Mandreas,

Wenn Du "Startwerte" an zwei verschiedenen Zeitpunkten hast, die nicht der Start-Zeitpunkt sind, ist das kein Initial-Value-Problem und damit kein Fall für ODE45. Stattdessen ist das ein Randwert-Problem und BVP4C oder BVP5C sind geeignet für die Lösung.

Gruß, Jan
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Mandreas
Themenstarter

Forum-Newbie

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Beiträge: 6
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Wohnort: Berlin
Version: ---
     Beitrag Verfasst am: 16.11.2014, 19:34     Titel:
  Antworten mit Zitat      
Hallo Jan,

vielen Dank für den Hinweis.

den bvp4c-Befehl kannte ich noch nicht.

Mit dem Beispiel von Matlab bin ich soweit gekommen:
Code:
function DGL

solinit = bvpinit(linspace(0.5,1,100),[0 0]);

sol = bvp4c(@twoode,@twobc,solinit);

x = linspace(0.5,1);
y = deval(sol,x);
plot(x,y(1,:))
% --------------------------------------------------------------
function dydx = twoode(x,y)
dydx = [ y(2); -1/x*y(2)-1 ];
function res = twobc(ya,yb)
res = [ ya(1); yb(1)];


Leider ist es noch nicht die Lösung.

Interessant ist, das das Maximum des Plots an der Stelle 0,75 liegt…

Was habe ich falsch interpretiert?

Besten Dank
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