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Kurs:Funktionentheorie/Wege als Lösungen von Differentialgleichungen

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Einleitung

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Diese Lerneinheit startet mit einem Beispiel für das Lösen einer Differentialgleichung mit mit , wobei der Weg in dem Vektorfeld gesucht ist, der für den Anfangswert die Gleichung erfüllt.

Geometrische Grundidee

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Ein Punkt ist einem Vektorfeld ausgesetzt, das durch einen holomorphe Funktion beschrieben wird.

Veranschaulichung Vektorfeld

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Die folgende Abbildung zeigt Vektorfeld von einzelnen Punkten aus der Gaußschen Zahlenbene. Der zugehörigen Funktionswert zum Argument wird als (grün markierter) Vektor mit Anfangspunkt in dargestellt.

vector field for z square
vector field for z square

Holomorphe Weg in Vektorfeldern

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Wenn man versucht mit einem holomorphen Weg und in einem Vektorfeld zu lösen, so stellt man fest, das nur für alle als konstanter Weg die Differentialgleichung löst. Daher geht man zu einer meromorphen Funktion mit und für alle über, die dann allerdings keine Pole auf dem Intervall besitzen darf.

Lösung der Differentialgleichung

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Die Lösung der Differentialgleichung mit Anfangswert lautet:

.

Die Lösung hat eine Pol bei .

Meromorphe Lösung

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Damit ist eine meromorphe Funktion auf . Für einen wohldefinierten Weg mit Definitionsbereich darf der Pol nicht im Definitionsbereich des Weges liegen (d.h.), da sonst an der Stelle nicht definiert ist.

Pol auf der Spur des Weges

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Für und liegt der Pol in dem Intervall und damit wäre der Weg an dieser Stelle nicht definiert.

Lösungsweg für Differentialgleichungen

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Über die Trennung der Variablen kann man die Differentialgleichung lösen:

Man betrachtet dazu die folgende Gleichung nach Äquivalenzumformung:

.

Dabei ist es wesentlich, dass bzw. keine Nullstellen für besitzt.

Schritt 1: Trennung der Variablen

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Durch Integration über die Gleichung erhält man:

Auf der linken Seite der Gleichung erhält man die Defintion des Wegintegrals.

Schritt 2: Definition des Wegintegrals

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Die Integration der Gleichung liefert dann:

Die Stammfunktion von ist .

Schritt 3 - Berechnung des Wegintegrals über Stammfunktionen

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Das Integral kann über die Stammfunktion berechnet werden.

Schritt 4 - Endpunkt des Wegintegrals als Variable

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Man betrachtet nun das Wegintegral über das Intervall mit und erhält mit dem Anfangswert :

Schritt 5 - Berechnung des Weges

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Man erhält den Weg über folgende Umformung:

Darstellung des Weges in Geogebra

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Um die Spur des Weges in Geogebra zu zeichnen, zerlegt man in die Realteilfunktion und Imaginärteilfunktion , um den Pfad in als Ortlinie zeichnen zu können.

Realteil- und Imaginärteilfunktion - Schritt 1

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In der Definition der Lösung muss man zunächst den Nenner reellwertig machen, um die Real- und Imaginärteilfunktion bestimmen zu können. Dies erfolgt über:

Realteil- und Imaginärteilfunktion - Schritt 2

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Mit als Anfangswert des Weges erhält mit dem reellwertigen Nenner aus Schritt 1:

Realteil- und Imaginärteilfunktion - Schritt 3

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Damit erhält man nun die Realteilfunktion und für den Anfangswert des Weges :

Aufgabe 1 - Plot des Weges

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Plotten Sie nun den Weg durch Festlegung des Punktes in Abhängigkeit des Schiebereglers für .

Animation zur Aufgabe 1

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Animation - differential equation - solution plotted as curve in OpenSource Geogebra
Animation - differential equation - solution plotted as curve in OpenSource Geogebra

Aufgabe 2 - Verallgemeinerung

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Bestimmen Sie Weg für eine Vektorfeld allgemein, das durch eine meromorphe Funktion gegeben ist, die keine Nullstellen in dem Intervall auf der reellen Achse besitzt.

Aufgabe 3 - Verallgemeinerung

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Bestimmen Sie Weg allgemein für eine Vektorfeld, das durch eine meromorphe Funktion gegeben ist und keine Nullstellen auf dem Intervall besitzt. Warum ist es wichtig für die Lösbarkeit der Differentialgleichung, dass keine Nullstellen auf dem Intervall besitzt?

Siehe auch

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