Kl. 13

Rechner für lineare DGL-Systeme

Gib die Matrix $A$ des Systems $\dot{\vec x} = A\vec x$ ein, also $\dot x = a\,x + b\,y$ und $\dot y = c\,x + d\,y$. Der Rechner bestimmt die Eigenwerte, ordnet den Gleichgewichtspunkt $(0 \mid 0)$ ein, stellt das Fundamentalsystem auf und löst auf Wunsch das Anfangswertproblem. Das Phasenporträt zeigt, wie die Lösungen verlaufen.

„a b; c d“ steht für ẋ = a·x + b·y, ẏ = c·x + d·y. Brüche und Dezimalzahlen sind erlaubt, z. B. 1/2 oder 0,5.
Neu

Einträge mit Leerzeichen trennen, Zeilen mit Semikolon. Erlaubt sind Zahlen, Brüche und Wurzeln wie sqrt(2).

Ergebnis

Für das System $\begin{cases} \dot x = 2x \\ \dot y = 2y \end{cases}$, also $\dot{\vec x} = A\vec x$ mit $A = \begin{pmatrix}2 & 0 \\ 0 & 2\end{pmatrix}$:

\[\lambda_1 = \lambda_2 = 2\]
\[\text{Typ: Sternpunkt (eigentlicher Knoten), instabil}\]
\[\vec x(t) = C_1 \begin{pmatrix}\mathrm{e}^{2\,t} \\ 0\end{pmatrix} + C_2 \begin{pmatrix}0 \\ \mathrm{e}^{2\,t}\end{pmatrix}\]
Zum Rechenweg

Rechenweg

  1. Spur, Determinante, Diskriminante

    Die Eigenwerte sind die Lösungen von $\lambda^2 - \operatorname{sp}(A)\,\lambda + \det A = 0$:

    \[\operatorname{sp}(A) = a_{11} + a_{22} = 4\]
    \[\det A = a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21} = 4\]
    \[\Delta = \operatorname{sp}(A)^2 - 4\det A = 0\]
  2. Eigenwerte

    Die Diskriminante ist 0 – ein doppelter Eigenwert.

    \[\lambda_{1,2} = \frac{\operatorname{sp}(A)}{2} = 2\]
  3. Typ des Gleichgewichtspunkts (0 | 0)

    Doppelter Eigenwert (Δ = 0). Er ist positiv: die Bahnen laufen vom Ursprung weg. Ergebnis: <strong>Sternpunkt (eigentlicher Knoten)</strong>, instabil.

  4. Fundamentalsystem und allgemeine Lösung

    A ist ein Vielfaches der Einheitsmatrix – jeder Vektor ist Eigenvektor, beide Koordinaten wachsen bzw. fallen mit $e^{\lambda t}$.

    \[\vec x(t) = C_1 \begin{pmatrix}\mathrm{e}^{2\,t} \\ 0\end{pmatrix} + C_2 \begin{pmatrix}0 \\ \mathrm{e}^{2\,t}\end{pmatrix}\]
  5. Probe

    Einsetzen bestätigt: Beide Basislösungen erfüllen $\dot{\vec x} = A\vec x$.

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Phasenporträt: Pfeile zeigen die Richtung von $(\dot x, \dot y)$, farbige Kurven sind Lösungsbahnen. Interaktiv ausprobieren

So rechnet der Rechner

SchrittWas passiert
EigenwerteAus $\operatorname{sp} A$ und $\det A$ entsteht $\lambda^2 - \operatorname{sp}(A)\lambda + \det A = 0$; die Diskriminante $\Delta$ entscheidet zwischen zwei reellen, einem doppelten und zwei komplexen Eigenwerten.
TypSattel ($\det < 0$), Knoten ($\Delta > 0$), Strudel ($\Delta < 0$), Zentrum ($\operatorname{sp} = 0$), Stern bzw. entarteter Knoten ($\Delta = 0$); stabil, wenn alle Realteile negativ sind.
FundamentalsystemEigenvektoren bzw. Hauptvektor (doppelter Eigenwert) oder Real- und Imaginärteil der komplexen Lösung. Zur Probe werden beide Basislösungen in $\dot{\vec x} = A\vec x$ eingesetzt.
Anfangswert$C_1$ und $C_2$ aus einem linearen Gleichungssystem; das Ergebnis wird bei $t = 1$ mit dem Runge-Kutta-Verfahren verglichen.

Die Erklärung mit Beispielen und Übungen findest Du unter Lineare DGL-Systeme – dort gibt es auch ein interaktives Phasenporträt für nichtlineare Systeme. Eigenwerte größerer Matrizen berechnet der Eigenwert-Rechner, einzelne Differentialgleichungen der DGL-Rechner.

Weiterlesen: Eigenwertproblem bei Wikipedia

ErklärungLineare DGL-Systeme – Eigenwerte, Phasenporträt und StabilitätSysteme x′ = A·x mit dem Eigenwert-Ansatz lösen – reelle, doppelte und komplexe Eigenwerte, Fundamentalsystem, Knoten, Sattel, Strudel und Zentrum, Spur-Determinanten-Diagramm, Linearisierung und interaktives Phasenporträt.Klasse 13 · Studium & BrückenkursRechnerEigenwert-Rechner – Eigenwerte und Eigenvektoren mit RechenwegCharakteristisches Polynom, Eigenwerte (auch mit Wurzeln oder komplex), Eigenvektoren mit Zeilenstufenform und Diagonalisierung für 2×2- und 3×3-Matrizen.Klasse 13 · VektorenRechnerDGL-Rechner – Differentialgleichungen mit Rechenweg und AnfangswertproblemGewöhnliche Differentialgleichungen 1. und 2. Ordnung lösen – mit Typ-Erkennung, Lösungsweg, Anfangs- oder Randwerten, Probe und Graph.Klasse 13 · Studium & BrückenkursÜbungenBrückenkurs Mathe – fit fürs Studium mit Mathe-Check und LernpfadMathe-Check mit 22 Aufgaben und ein Lernpfad in zehn Stationen von Bruchrechnung bis Integral – mit Häkchen für Deinen Fortschritt.Klasse 13 · Studium & BrückenkursErklärungSummenzeichen und Produktzeichen – Regeln, Indexverschiebung, SummenformelnΣ und Π lesen und umformen – Rechenregeln, Indexverschiebung, Gaußsche Summenformel, geometrische Summe und Teleskopsumme.Klasse 13 · Studium & BrückenkursErklärungMengen und Aussagenlogik – Schreibweisen, Intervalle, Junktoren, QuantorenMengen und Zahlenbereiche, Intervalle, Schnitt, Vereinigung und Komplement, Wahrheitstafeln, Implikation und Quantoren richtig verneinen.Klasse 13 · Studium & Brückenkurs
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