Diskret - kontinuierlich

Matthias Kittel und Walter Wegscheider

Über diesen Lernpfad Schüler/innen sollen sich mit der Beschreibung von dynamischen Vorgängen beschäftigen und den Unterschied zwischen diskreten Vorgängen (Beschreibung über Differenzengleichungen) und kontinuierlichen Vorgängen (Beschreibung über Differentialgleichungen) kennen lernen. Kompetenzen Das kannst du schon Darstellungsformen von Funktionen Kenntnis der Auswirkung von Variationen in verschiedenen Darstellungsformen (lineare, quadratische Funktionen, Potenzfunktionen, trigonometrische Funktionen u.a.) Das kannst du lernen Wie beschreibt man diskrete dynamische Vorgänge mit Hilfe von Differenzengleichungen - Lösungsmöglichkeiten und Visualisierung an verschiedenen Beispielen Wie beschreibt man kontinuierliche dynamische Vorgänge mit Hilfe von Differentialgleichungen - Visualisierung und Lösungsansätze mit Hilfe verschiedener Technologieunterstützungen an verschiedenen Beispielen   Didaktischer Kommentar

Rekursive Beschreibung von Veränderungen

Radioaktiver Zerfall

Für Beispiele zum radioaktiven Zerfall siehe hier

Räuber-Beute-Modell

Zum Thema Räuber-Beute-Modell geht es hier.

Differenzengleichung

Begriffsbildung

Eine Differenzengleichung ist eine Möglichkeit, dynamische Systeme abzubilden. Dabei wird eine Folge von diskreten (einzeln betrachtbaren, "abzählbaren") Ereignissen rekursiv definiert. Jedes Folgenglied ist daher eine Funktion der vorhergehenden Folgenglieder.

Form: $\,x_{n} = f(x_{n-1},x_{n-2},...,x_{1},x_{0})$
für natürliche Zahlen n.

Die Veränderung wird durch den Differenzenquotienten angegeben: $\frac{\Delta y}{\Delta n}$
mit $\,n \in N$

Dabei entspricht:
$\Delta y_{n} \Longleftrightarrow y_{n+1}-y_{n}$ und damit beispielsweise $\Delta y_{n}=5 \Longleftrightarrow y_{n+1}-y_{n}=5 \Longleftrightarrow y_{n+1}=y_{n}+5$

Links:

• http://statmath.wu-wien.ac.at/~leydold/MOK/HTML/node187.html, Josef Leydold, Abt. f. angewandte Statistik und Datenverarbeitung, 1997

Marktgleichgewicht - Cobweb-DIagramm

Cobweb / Spinnwebdiagramme stellen eine gute Möglichkeit dar, Rekursionen darzustellen.

Links:

• Spinnwebdiagramme - Lineare Differenzengleichungen 1. Ordnung mit GeoGebra: http://www.geogebra.org/de/wiki/index.php/Lineare_Differenzengleichung_1._Ordnung

Von der diskreten zur kontinuierlichen Veränderung

Exponentielles Wachstum - Lebensmittelkontrolle

In Österreich ist es üblich, dass Lebensmittel verarbeitende und verkaufende Betriebe der Lebensmittelkontrolle obliegen (sie Bundesministerium für Gesundeheit. Lebensmittel dürfen nämlich einen bestimmten Grenzwert an Bakterien nicht überschreiten, wenn sie verkauft werden sollen. Lebensmittelkontrollore überwachen die korrekt Verwahrung der Speisen und Getränke.

Egal um welche Art von Keimen es sich handelt, die Vermehrungsrate ist gigantisch. Aus diesem Grund verwendet man häufig eine Exponenzialfunktion, um das Wachstum zu beschreiben. Mit Hilfe des Zusammenhangs $N(t)=a\cdot e^{b\cdot t}$ lässt sich diese Wachstum beschreiben.

Diese Problem lässt sich mittel Differenzengleichung $N_{t+1}=N_{t}\cdot e^{b\cdot \tau}$ modellieren, wobei $\tau$ der Zeitschritt ist. Dies ist in der Tabellekalkulationsmappe Lebensmittel.xls realisiert. In der Arbeitsmappe befindet sich ein Arbeitsblatt, das zur Rückrechnung einer Keimanzahl verwendet werden kann. So kann überprüft werden, ob eine Lebensmittelprobe zum Zeitpunkt des Verkaufs noch genießbar war. Es lassen sich die Anfangsanzahl der Keime sowie die Vermehrungskonstante variieren. Die Ergebnisse sing graphisch und in einer Tabelle dargestellt.

Merke: Antibakterienvermehrungstheorem: Um Keime nicht zum Leben zu erwecken, ist das gute Lebensmittel im Kühlschrank zu verstecken.

Radioaktiver Zerfall - analytische Herleitung

Die Gleichung $N(t)=N_{0} \cdot e^{-\lambda \cdot x}$ ist eine der bekanntesten der Mathematik und wird in der zehnten Schulstufe eingeführt. In der zwölften ist es nun mit Hilfe der Integralrechung möglich, ausgehen vom Ansatz $N(t)'=-N(t) \cdot \lambda$ obige Relationen per Differentiagleichung analytisch herzuleiten. Unter Rad_zerfall_analytisch.pdf ist diese Schritt für Schritt nachvollziehbar. Zuerst wird der allgemeine Fall besprochen und sich dann auf die Anwendung beim radioaktiven Zerfall bezogen.

Zusätzlich sind drei Standardaufgaben angegeben, um die Verwendung der Gleichung zu wiederholen.

Beispiele zum radioaktiven Zerfall

Merke: Halbwertszeit: Der Zeitraum, in dem eine (meist exponentiell) abfallende Größe auf die Hälfte ihres Anfangswertes abgesunken ist. Die physikalische Halbwertszeit ist die für jedes Isotop eines radioaktiven Elementes charakteristische Zeitdauer, in der von einer ursprünglichen vorhandenen Anzahl radioaktiver Kerne bzw. instabilen Elementarteilchen die Hälfte zerfallen ist (entnommen aus Brockhaus in 5 Bänden, zweiter Band).

Aufgabe 1  Jod-131 hat eine Halbwertszeit von 8 Tagen. Berechne den Parameter λ (Basiszeiteinheit 1 Tag und 1 Jahr) in der Zerfallsgleichung auf 6 gültige Nachkommastellen!

Aufgabe 2  Von Kobalt-60 ist nach 3,88 Jahren 40% des Ausgangsmaterials zerfallen. Wie groß ist die Halbwertszeit dieses Isotops?

Aufgabe 3  Von 24000 Cäsium-137-Kernen sind nach einer bestimmten Zeit $\,t$ 21771 Kerne zerfallen. Die Halbwertszeit des Isotops beträgt 2,1 Jahre. Berechne $\,t$!

Aufgaben im pdf-Format

---

Die Angaben zu den Aufgaben findet man unter Bsp_rad_zerfall.pdf (43 kb).

---

Lösungen im pdf-Format

---

Die Lösungen zu diesen Aufgaben findet man unter Lösungen zu Bsp_rad_zerfall.pdf (59 kb).

Abbau von Giftstoffen

Tabellenkalkulation

Zusammenfassung des Giftstoffproblems

analytische Lösung der Differenzialgleichungen für den Abbau von Giftstoffen

Derive-Datei zum Abbau von Giftstoffen

Logistisches Wachstum - beschränktes Wachstum

Als logistische Gleichung wird eine Differenzengleichung der Form $x_{n+1}=r\cdot x_{n}\cdot(1-x_{n})$. Die zugehörige Differenzialgleichung (DGLG) sieht folgendermaßen aus: $f'(t)=r\cdot f(t)\cdot(1-f(t))$ Diese DGLG kann analytisch gelöst werden, zur Vereinfachung wird statt $\,f(t)$ $\,f$geschrieben:

$\frac{df}{dt}=r\cdot f(1-f)$

$\frac{df}{f(1-f)}=r dt$

$\int \frac{df}{f(1-f)}=\int r dt$

$\int \frac{A}{f}+\frac{B}{1-f}df=\int r dt$

Mittels Partialbruchzerlegung ermittelt man für $\,A$ und $\,B$ jeweils der Wert $\,1$.

$\int \frac{1}{f}+\frac{1}{1-f}df=\int r dt$

$ln f - ln(1-f) = r\cdot t$

Ein-Lebewesen-Modell nach Verhulst

Erläuterungen, Informationen und Aufgaben zum Ein-Lebewesen-Modell findet man hier.

Weitere Beispiele

• Bernd Huhn, Sonja Woltzen, Lehrer-Online, Fall mit Reibung - Ein Sprung aus 40.000m Höhe, 2005
• Josef Lechner, Freier Fall mit Luftwiderstand, ACDCA 1998

Differentialgleichungen

Begriffsbildung

Als (gewöhnliche) Differenzialgleichung (DGLG) wird eine Gleichung bezeichnet, die neben einer Unbekannten $\,x$ auch deren Ableitung(en) $\,x'$ ($\,x''$, ...) enthält. Gelöst wird eine DGLG mittels Integralrechnung.

Die Lösung einer DGLG ist nicht wie bei einer herkömmlichen Gleichung eine Zahl, sondern eine Funktion, genauer eine Funktionenschar, die aus unendlich vielen Funktionen besteht. Da beim unbestimmten Integrieren immer eine Integrationskonstante auftritt, muss eine Zusatzinformation (Anfangsbedingung) gegeben sein, um die Konstante zu bestimmen.

Erst durch die Anfangsbedingung, die einem Punkt auf dem Graphen der Lösungsfunktion entspricht, kann die Lösungsfunktion exakt bestimmt werden. Die Lösung ist nun eine spezielle Funktion!

DGLG können in allen Bereichen des Lebens angetroffen werden, besonders in den Naturwissenschaften oder der Wirtschaft und dem Sport. In allen Zusammenhängen, bei denenen es um Veränderungen geht, kommen DGLG zur Anwendung.

Eine Übersicht über die Klassifikation von DGLG findet man unter http://www.math.tu-berlin.de/geometrie/Lehre/SS05/GDglmA/skriptKlassif.pdf

Links:

• http://statmath.wu-wien.ac.at/~leydold/MOK/HTML/node175.html, Josef Leydold, Abt. f. angewandte Statistik und Datenverarbeitung, 1997

Ausblick

Näherungsverfahren

Bisher wurde die Lösung der betrachteten Differentialgleichungen über Integration vorgestellt. Man versucht dabei, eine mathematisch exakte (und bis auf die Integrationskonstante eindeutige) Lösung formal zu bestimmen. Die gefundene Lösungsfunktion liefert eine vollständige Beschreibung des betrachteten Problems über den gesamten definierten Verlauf. In den meisten Fällen sind diese gefundenen Lösungsfunktionen auch stetig und bieten daher eine kontinuierliche Problemlösung.
Es gibt aber viele Integrale und damit Differentialgleichungen, die man nur äußerst mühselig oder in vielen Fällen überhaupt nicht exakt lösen kann!
Man geht daher oft den - nebenbei auch bei der Automatisation der Lösungsalgorithmen mit dem Computer meist schnelleren - Weg, die Probleme näherungsweise zu lösen. Man setzt also auf Näherungsverfahren, die das vorliegende Problem für eine diskrete (endliche) Zahl von Punkten möglichst genau lösen. Man ersetzt also die vollständige Integration einer Funktion durch die näherungsweise Berechnung (des bestimmten Integrals) in einem bestimmten Bereich, für den man sich interessiert. Für diese Näherung / Diskretisierung gibt es verschiedene, unterschiedlich genaue - unterschiedlich komplexe Verfahren.

Grundsatz: Der Differentialquotient wird näherungsweise durch den dazugehörigen Differentenquotienten beschrieben.

$\frac {dy(x)}{dx}$ beschrieben durch $\frac {\Delta y}{\Delta x} = \frac {y(x_{n+1})-y(x_{n})}{x_{n+1}-x_{n}}$

Die bekanntesten Näherungsverfahren

• Euler-Cauchy-Verfahren
• Runge-Kutta-Verfahren

Eine Beschreibung der Verfahren finden Sie bei Ulrich Streit, Skript zur Übung "Werkzeuge zur numerischen Modellierung", 1999

Links:

• Josef Lechner, Von Euler-Cauchy zu Runge-Kutta, ACDCA 1998
• Urs Oswald, H.R. Schneebeli, Kugelstoßen mit Luftwiderstand, TI-Nachrichten 2/04
• H. Kohorst, Ph. Portscheller, P. Goldkuhle, Modellbildung und Simulation - NRW-Bildungsserver learn:line

Visualisierung über Richtungsfelder

---

© 2009, Projekt "Medienvielfalt im Mathematikunterricht"