1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
|
\section*{Existenzsatz von Peano}
Sei $f : G \subset \R \times \R^n \to \R^n$ stg., $G$ Gebiet.
Dann $\forall (\tilde x,\tilde y) \in G \exists$ Lösung $y'=f(x,y)$ im Gebiet.
\section*{Existenz- und Eindeutigkeit}
Sei $f : S \to \R^n$ stg. auf Steifen $S := [a,b] \times \R^n$ und $f$ erfülle die Lipschitz-Bedingung:
\vspace*{-2mm}
$$\|f(x,y)-f(x,\tilde y)\| \leq L \|y-\tilde y\|, \ L > 0$$
Dann existiert für das AWP genau eine Lösung in $\mathcal{C}([a,b],\R^n)$ für jedes Element in $S$.
\section*{Einzelschrittverfahren}
Sei $f : [a,b] \times \R^n \to \R^n, \ y(x_0)=y_0 \in \R^n$ AWP.
Ein \emph{Einschrittverfahren} ist Vorschrift:
\vspace*{-4mm}
$$\eta_0 = y_0, \ \eta_{k+1} = \eta_k + h \cdot \Phi(x_k, \eta_k, h), \ x_{k+1} = x_k + h$$
Für \emph{Verfahrensfunktion} $\Phi : [a,b] \times \R^n \times \R \to \R^n$.
\spacing
Die \emph{Näherungslösung} $\eta_k$ ist eine \emph{Gitterfunktion}.
\vspace*{-4mm}
$$\eta_k : \{x \in [x_0,b] | x = x_0 + i \cdot h, \ i \in \N_0 \} \to \R^n$$
\subsection*{Explizites Eulerverfahren}
$$\Phi(x,y,h) := f(x,y)$$
\subsection*{Implizites Eulerverfahren}
$$\Phi(x,y,h) := f(x+h, g(x,y,h)), \ g = y + h \cdot f(x+h, g)$$
\subsection*{Konsistenz}
Sei $z$ mit $z'(x) = f(x,z(x))$ die exakte AWP Lösung.
Der \emph{lokale Diskretisierungsfehler} in $(x,y)$:
$$\tau(x,y,h) := \frac{z(x+h)-y}{h} - \Phi(x,y,h)$$
Ein ESV ist brauchbar, wenn $\lim_{h \to 0} \tau(x,y,h) = 0$ bzw. $\lim_{h \to 0} \Phi(x,y,h) = f(x,y)$.
\subsubsection*{Konsistenzordnung}
ESV mit $\Phi$ ist \emph{konsistent mit Ordnung $p$}, falls:
\vspace*{-2mm}
$$\tau(x,y,h) \in \mathcal{O}(h^p) \text{ für } h \to 0$$
Hierzu ist eine Taylorentwicklung von $z$ hilfreich.
Beide Eulerverfahren haben Ordnung $1$.
\subsection*{Allgemeiner Ansatz für Ordnung $2$}
$$\Phi(x,y,h) := a_1 \cdot f(x,y) + a_2 \cdot f(x+p_1 h, y+p_2 h \cdot f(x,y))$$
für Konstanten $a_1, a_2, p_1, p_2 \in \R$.
\spacing
Bedingungen: $a_1 + a_2 = 1, \ a_2 p_1 = \frac{1}{2}, \ a_2 p_2 = \frac{1}{2}$
\subsubsection*{Verfahren von Heun}
$$\Phi(x,y,h) := \frac{1}{2}(f(x,y) + f(x+h, y+h \cdot f(x,y)))$$
\subsubsection*{Verfahren von Runge}
$$\Phi(x,y,h) := f(x + \frac{h}{2}, y + \frac{h}{2} f(x,y) )$$
\subsubsection*{Implizite Trapezregel}
\vspace*{-2mm}
\begin{align*}
\Phi(x,y,h) &:= \frac{1}{2} (f(x,y) + f(x+h, g(x,y,h)) \\
g(x,y,h) &:= y + \frac{h}{2} (f(x,y) + f(x+h,g(x,y,h))
\end{align*}
\subsection*{Konvergenz}
Der \emph{globale Diskretisierungsfehler} für $x \in [a,b]$:
\vspace*{-4mm}
$$e(x,h_n) := \eta(x,h_n) - y(x), \ h_n=h_n(x)=\frac{x-x_0}{n}, n \in \N_0$$
Ein ESV ist \emph{konvergent}, falls:
\vspace*{-4mm}
$$\forall x \in [a,b], \text{hinr. glatte } f : \lim_{n \to \infty} e(x,h_n) = 0$$
\section*{Explizite Runge-Kutta-Verfahren}
\section*{Explizite Extrapolationsverfahren}
\section*{Mehrschrittverfahren}
\section*{Partielle Differentialgleichungen}
\subsection*{Finite Differenzen}
|
