Dabei strebt die Population stets gegen den Gleichgewichtswertp(t

Numerik, Wintersemester 2013 Aufgabenblatt 1

Prof. Dr. Peter Bastian Abgabe 30. Oktober. 2013 bis 11:15

IWR, Universit¨at Heidelberg Allgemeine Hinweise:

• Bitte geben Sie m ¨oglichst in Gruppen von zwei bis drei Teilnehmer ab.

• Fur die Klausurzulassung sind 50% der Punkte und mindestens einmal Vorrechnen in der Ubungsgruppe erforderlich.¨

U¨BUNG1 LOGISTISCHESWACHSTUM

Das Anfangswertproblem

p(t₀) = p₀ d

dtp(t) = ap(t)−bp(t)² (t > t0, a, b >0)

wird unter anderen zur Beschreibung eines logistischen Wachstums der Population einer Spezies innerhalb eines geschlossenen ¨Okosystems verwendet. Dabei strebt die Population stets gegen den Gleichgewichtswertp(t→ ∞) = a

b =:ξ.

1. Zeigen Sie, dass das die L ¨osung des Anfangswertproblems dargestellt werden kann als

p(t) = a p0

b p0+ (a−b p0)e^−a(t−t0).

2. Bestimmte Spezies (z.B. Ratten) entwickeln mit zunehmender Population eine hohe Anf¨alligkeit f ¨ur Seuchen. Wir formulieren hierzu ein einfaches Modell:

Zun¨achst seip(t0) = p0 < ξ. Sobald die Population eine Schwelle Q(p0 < Q < ξ) ¨ubersteigt, bricht eine Seuche aus. Die Populationsdynamik ver¨andert sich und wird fortan durch die Be- ziehung

d

dtp(t) =Ap(t)−Bp(t)²

beschrieben, wobeiA < a, B < bund ^A_B =:ζ < ξgilt. Daraufhin nimmt die Population wieder ab, bis eine Schwelleq (ζ < q < Q) erreicht ist, bei der die Bev ¨olkerung so gering ist, dass die Seuche sich nicht mehr ausbreiten kann. Nun wird die Populationsdynamik wieder durch die urspr ¨ungliche Beziehung beschrieben.

Dieses Modell erzwingt eine periodische Schwankung der Population. Berechnen Sie seine Pe- riodendauer.

3. Bei vielen Spezies ist die Geburtenrate nicht proportional zur Populationsgr ¨oße. In vielen F¨allen wird zur Fortpflanzung ein Partner ben ¨otigt, der nicht aktiv gesucht, sondern zuf¨allig angetrof- fen wird. In vielen solchen F¨allen kann die Geburtenratebals proportional zup²angenommen werden, w¨ahrend die Todesratea nach wie vor proportional zu p ist. Daraus ergibt sich die Differentialgleichung

d

dtp(t) =bp(t)²−ap(t)

Unter welchen Umst¨anden muss eine solche Spezies als gef¨ahrdet eingestuft werden?

5 Punkte

U¨BUNG2 UMFORMUNG VONAWA Formen Sie das Anfangwertproblem

u⁰⁰₁ =t²−u⁰₁−u²₂, u⁰⁰₂ =t−u⁰₂−u³₁,

u1(0) = 0, u2(0) = 1, u⁰₁(0) = 1, u⁰₂(0) = 0

in ein Anfangswertproblem f ¨ur ein System erster Ordnung um. 2 Punkte U¨BUNG3 EXISTENZ UNDEINDEUTIGKEIT DERL ¨OSUNG

F ¨ur das Anfangswertproblem

u⁰ = (1 +|u|)⁻¹ auf[a, b], u(0) =u0,

beweisen Sie Existenz und Eindeutigkeit der L ¨osung. 3 Punkte

U¨BUNG 4 HDNUM UNDGEDAMPFTER¨ REIHENSCHWINGKREIS (PROGRAMMIERAUFGABE- ABGA-

BE IN2 WOCHEN) Hinweis:

Ren´e Heß gibt in erster ¨Ubungsgruppe (am 28.10) eine Einf ¨uhrung in diehdnumBibliothek. Wer nicht teilnehmen kann, bitte eine Email an pavel.hron@iwr.uni-heidelberg.de schicken.

1. Laden sie sich diehdnumBibliothek zusammen mit dem Tutorial von der Homepage. Lesen sie das Tutorial und installieren siehdnumauf ihrem Computer. Kompilieren die die Beispielpro- gramme im examples Verzeichnis und machen sich mit der Struktur der Bibliothek bekannt.

In den Dateienmodelproblem.hhundmodelproblem.ccist eine Implementierung des exponentiel- len Wachstumsgesetzes mit Hilfe des expliziten Euler Verfahrens. Setzen Sie den Parameterλ auf den Wert−1und lassen Sie das Programm laufen.

2. Im folgenden soll ein Programm zur Simulation eines einfachen elektronischen Netzwerkes implementiert werden. Wir betrachten einen ged¨ampften Reihenschwingkreis:

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Time

Uc I_l

Die Beziehungen der einzelnen Bauelemente lauten:

uR(t) = RiR(t), u_L(t) = Ld

dti_L(t), iC(t) = C d

dtuC(t).

Durch eine Anwendung der Knoten- und Maschenregeln, kann hieraus die Beziehung LCd²u_C(t)

dt² +RCdu_C(t)

dt +uC(t) =ug(t)

abgeleitet werden. Letztere beschreibt eine lineare gew ¨ohnliche Differentialgleichung zwei- ter Ordnung, welche durch die Wahl geeigneter AnfangsbedingungenuC(t0)und duC

dt t=t0 =

i_L(t₀)

C sowie der ¨außeren Spannungu_g(t)auf ein Anfangswertproblem festgelegt wird.

Durch einsetzen von ^du_dt^C(t) = ⁱ_C^L erh¨alt man ein System erster Ordnung:

d

dti_L(t) = 1

L(u_g−u_C−Ri_L), d

dtuC(t) = iL

C.

Dieses System wird durch die Wahl voni_L(t₀)undu_C(t₀)auf ein Anfangswertproblem festge- legt.

• Implementieren Sie ein C++ Programm mit der Hilfe vonhdnum, welches dieses System mit dem expliziten Euler verfahren numerisch l ¨ost und eine (z.B. mit Gnuplot) visualisier- bare Ausgabe vonu_C(t)undi_L(t)erzeugt.

• Testen Sie ihr Programm f ¨ur den Fall ug = 0 und die Anfangsbedingungen uC(t0) = 0 sowie i_L(t₀) = 1. Setzen Sie die Kenngr ¨oßen L = R = 1, C = 0.1 und ∆t = 0.01.

Simulieren Sie den Zeitraumt= 0. . .10.

• Visualisieren Sie die L ¨osunguc(t)und iL(t)im Intervall [0,10]mit Gnuplot (oder einem anderen Programm).

8 Punkte