Kl. 13

Richtungsfeld einer Differentialgleichung

Eine Differentialgleichung der Form $y' = f(x, y)$ verrät in jedem Punkt $(x \mid y)$ die Steigung der Lösungskurve, die durch diesen Punkt geht. Zeichnet man diese Steigungen als kleine Striche in ein Koordinatensystem, entsteht das Richtungsfeld. Lösungskurven „schwimmen“ mit dem Feld – jede schmiegt sich an die Striche an.

Richtungsfeld zum Anklicken

Klicke in das Bild: Durch den angeklickten Punkt wird die Lösungskurve gezeichnet – mit dem genauen Runge-Kutta-Verfahren. Schalte „Euler zum Vergleich“ ein, um zu sehen, wie weit das einfache Euler-Verfahren mit der gewählten Schrittweite danebenliegt.

−4−3−2−11234−4−3−2−11234

Die Gerade y = x − 1 ist selbst eine Lösung. Alle anderen Lösungen y = x − 1 + C·e^(−x) nähern sich ihr nach rechts an.

Beispiele:

Schreibweise wie im Rechner: x^2, 2x, x*y, sin(x), e^x, sqrt(y), Dezimalzahlen mit Komma. Der Link zum DGL-Rechner übernimmt die Gleichung und den zuletzt gesetzten Startpunkt als Anfangswert.

Ein Richtungsfeld lesen

  • Steigung ablesen: Im Punkt $(1 \mid 3)$ hat jede Lösung von $y' = x - y$ die Steigung $1 - 3 = -2$. Du musst die DGL dafür nicht lösen.
  • Isoklinen: Linien, auf denen die Steigung gleich ist, also $f(x, y) = c$. Bei $y' = x - y$ sind das die Geraden $y = x - c$. Für $c = 0$ erhältst Du die Punkte mit waagerechten Strichen – dort haben Lösungen ihre Hoch- und Tiefpunkte.
  • Gleichgewichtslösungen: Hängt $f$ nur von $y$ ab und ist $f(y^*) = 0$, dann ist $y = y^*$ eine konstante Lösung. Bei $y' = y\,(2 - y)$ sind das $y = 0$ und $y = 2$.
  • Eindeutigkeit: Ist $f$ „gutartig“ (stetig differenzierbar), geht durch jeden Punkt genau eine Lösungskurve. Lösungskurven können sich dann nicht schneiden.
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Wie die Kurven entstehen: Euler und Runge-Kutta

Aus dem Richtungsfeld lässt sich eine Näherungslösung Schritt für Schritt bauen: Vom Startpunkt $(x_0 \mid y_0)$ aus geht man ein kleines Stück $h$ nach rechts und folgt dabei der Steigung.

Euler-Verfahren

\[x_{k+1} = x_k + h, \qquad y_{k+1} = y_k + h \cdot f(x_k, y_k)\]

Einfach, aber ungenau: Die Steigung wird nur am Anfang jedes Schritts gemessen. Halbiert man $h$, halbiert sich der Fehler ungefähr (Verfahren 1. Ordnung).

Klassisches Runge-Kutta-Verfahren (RK4)

\[\begin{aligned} k_1 &= f(x_k, y_k), & k_2 &= f\left(x_k + \tfrac{h}{2},\ y_k + \tfrac{h}{2} k_1\right), \\ k_3 &= f\left(x_k + \tfrac{h}{2},\ y_k + \tfrac{h}{2} k_2\right), & k_4 &= f(x_k + h,\ y_k + h\,k_3), \end{aligned}\] \[y_{k+1} = y_k + \frac{h}{6}\,(k_1 + 2k_2 + 2k_3 + k_4)\]

Vier Steigungen pro Schritt – am Anfang, zweimal in der Mitte und am Ende – werden gewichtet gemittelt. Halbiert man $h$, wird der Fehler etwa 16-mal kleiner (Verfahren 4. Ordnung).

Vergleich: y′ = y mit y(0) = 1 bis x = 1

Die exakte Lösung ist $y = e^x$, also $y(1) = e \approx 2{,}71828$. Mit der Schrittweite $h = 0{,}5$ (zwei Schritte):

Verfahreny(0,5)y(1)Fehler bei x = 1
Euler$1 + 0{,}5 \cdot 1 = 1{,}5$$1{,}5 + 0{,}5 \cdot 1{,}5 = 2{,}25$$0{,}468$
RK4$1{,}648438$$2{,}717346$$0{,}00094$

Für den ersten RK4-Schritt: $k_1 = 1$, $k_2 = 1{,}25$, $k_3 = 1{,}3125$, $k_4 = 1{,}65625$ und damit $y_1 = 1 + \frac{0{,}5}{6} \cdot 7{,}78125 = 1{,}6484375$.

Im Bild oben rechnet die durchgezogene Kurve mit RK4 und sehr kleinen Schritten – sie ist praktisch exakt. Die gestrichelte Euler-Kurve verwendet Deine Schrittweite $h$. Probiere bei $y' = y \cdot (2 - y)$ einmal $h = 1$ und $h = 0{,}1$ aus.

Weiterrechnen

Das Richtungsfeld zeigt das Verhalten der Lösungen, aber keine Formel. Die exakte Lösung mit Rechenweg – etwa über Trennung der Variablen oder Variation der Konstanten – liefert der DGL-Rechner. Wie man Differentialgleichungen aufstellt und löst, erklärt die Seite Differentialgleichungen; Wachstumsmodelle wie $y' = k \cdot y\,(S - y)$ findest Du unter Wachstum und Zerfall. Ein verwandtes Näherungsverfahren für Nullstellen ist das Newton-Verfahren.

Weiterlesen: Richtungsfeld, Klassisches Runge-Kutta-Verfahren bei Wikipedia

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