Sukzessive Approximation

Die sukzessive Approximation (schrittweise Annäherung) ist ein Verfahren zur näherungsweisen Lösung von Differentialgleichungen erster Ordnung.
Dazu benutzen wir die folgende Identität

Satz 168O

Sei das folgende Anfangswertproblem gegeben y=f(x,y)y'=f(x,y) und y(x0)=y0y(x_0)=y_0. Dies ist gleichwertig zu
y(x)=y0+x0xf(t,y(t))dty(x)=y_0+\int\limits_{x_0}^x f(t,y(t)) \d t.(1)

Beweis

"    \implies": y=f(x,y)y'=f(x,y) wird von x0x_0 bis xx integriert. x0xy(t)dt=x0xf(t,y(t))dt\int\limits_{x_0}^xy'(t)\d t=\int\limits_{x_0}^xf(t,y(t)) \d t ergibt nach dem Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung: y(x)y0=x0xf(t,y(t))dty(x)-y_0=\int\limits_{x_0}^xf(t,y(t)) \d t, also
y(x)=y0+x0xf(t,y(t))dty(x)=y_0+\int\limits_{x_0}^xf(t,y(t)) \d t
\Leftarrow: y(x0)=y0+x0x0f(t,y(t))dt=y0y(x_0)=y_0+\int\limits_{x_0}^{x_0} f(t,y(t)) \d t=y_0
Differenzieren wir (1), ergibt sich sofort y=f(x,y)y'=f(x,y). \qed
Für das Verfahren benutzen wir den Startwert y(x0)=y0y(x_0)=y_0 und integrieren (1) für den ersten Näherungswert y1y_1.
y1(x)=y0+x0xf(t,y0)dty_1(x)=y_0+\int\limits_{x_0}^x f(t,y_0) \d t
Diesen nehmen wir als Startwert für die erneute Integration und erhalten den nächsten Wert. Allgemein berechnen wir den n+1n+1-ten Näherungswert durch
yn+1(x)=y0+x0xf(t,yn)dty_{n+1}(x)=y_0+\int\limits_{x_0}^x f(t,y_n) \d t

Beispiel

y=x+y1y'=x+y-1; y(0)=1y(0)=1
y1(x)=1+0x(t+11)dty_1(x)=1+\int\limits_0^x(t+1-1)\d t =1+0xtdt=1+\int\limits_0^xt\d t =1+x22=1+\dfrac{x^2} 2.
y2(x)=1+0x(t+1+t221)dty_2(x)=1+\int\limits_0^x(t+1+\dfrac{t^2} 2-1)\d t =1+0xt+t22dt=1+\int\limits_0^x t+\dfrac{t^2} 2\d t =1+x22+x36=1+\dfrac{x^2} 2+\dfrac{x^3} 6 =1+x22+x36=1+\dfrac{x^2} 2+\dfrac{x^3} 6
BspSuk.png
Die Grafik zeigt die wahre Lösungskurve (rot) sowie y1y_1 (gelb) und y2y_2 (grün).
Die lineare Differentialgleichung ist in Beispiel 168P gelöst worden.
 
 

Ein Mathematiker, der nicht irgendwie ein Dichter ist, wird nie ein vollkommener Mathematiker sein.

Karl Weierstraß

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