Differentialgleichung aufstellen

Aufrufe: 902     Aktiv: 17.02.2021 um 14:17

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Wie geht man vor wenn man diesen Graphen mithilfe einer DGL beschreiben soll?
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Ich wähle mal einen anderen Ansatz, denn Interpolation zur Funktionsbestimmung scheint mir hier zu kompliziert.

Ansatz: die Funktion f(t) ist eine logistische Funktion; f(t) hat eine  obere Schranke G:

Dann ist das Wachstum von f(t) = f´(t) a) proportional zum aktuellen Bestand f(t); also k*f(t) und b) proportional zum Restbestand G-f(t)

==> \(f´(t)=k*f(t)*(G-f(t))\) das ist eine BernoulliDGL mit der Lösung \(f(t)={a*G \over a+(G-a)*e^{-kGt}}\) wobei a der Bestand für t=0 ist (0<a<G).

Wenn man das Schaubild interpretiert, kann man t=0 in den Bereich des schwarzen Kastens legen. Wählen wir den 18.08.Dort ist \(f(0)=a=200\)

Von der logistischen Funktion weiss man, es gibt eine Wendepunkt und den lese ich aus der Zeichnung ab bei \(f(t_w)=1100\); dazu gehört \(t_w=110\). (11.12)

Aus der Kenntnis, dass im Wendepunkt gilt \(f(t_w)={G \over2}\) folgt G=2200. Das ist nach Zeichnung plausibel.

Die Werte in die Funktion eingesetzt ergibt: \(f(t)={200*2200 \over 200 +(2200-200)*e^{-k*2200*t}}={2200 \over 1+10*e^{-k*2200*t}}\)

für t=0 passt es \( f(0)={2200 \over 1+10*e^0}=200 \)

Bleibt die Berechnung von k:wir wissen \(f(t_w)=f(110)={G \over 2}=1100= {2200 \over 1+10*e^{-k*2200*110}} ==> (1+10*e^{-k*2200*110})={2200 \over 1100}=2 ==> e^{-k*2200*110}={1 \over 10}==> -k*2200*110 =ln{1 \over 10}==> -k={ln{1 \over 10} \over 2200+110}={-ln10 \over 2200*110}==> k={ln10 \over 2200*110}\)

Also lautet die logistische Funktion \(f(t)={2200 \over 1+10*e^{-{ln10 \over 2200*110}*2200*t}}={2200 \over 1+10*10^{-t \over110}}\)

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Wow, vielen dank dafür. Ich habe jedoch noch einige Rückfragen. Zunächst einmal könnte Ich t=0 auch ganz an den Anfang setzten, sodass die erste "Welle" auch mit einbezogen wird? Und wie ist das nochmal genau mit G und k, also was sind das für Faktoren, was beschreiben sie?   ─   paypaul22 17.02.2021 um 13:02

die Stelle t=0 ist zwar willkürlich gewählt, aber der Grund war, 1. dass sich ab dort die typische S-Kurve entwickelt und 2. dass sich dort ein glatter Wert (200) gut ablesen lässt. Wenn du davorliegende Werte haben willst, kannst du auch in negative t gehen.
Hier liegt begrenztes logistisches Wachstum vor. Das heißt die Kurve ist nach oben beschränkt und die obere Schranke ist G (wie Grenze).
Da sich das G aus der Skizze nicht ablesen ließ, habe ich es über den Trick Wendepunkt ermittelt f(t_w) =G/2. Und den Wendepunkt habe ich aus der Skizze (ungefähr, aber passend) ablesen können (f(t_w)=1100 ==> G= 2200. k ist die Proportionalitätskonstante: siehe oben DGL f´(t)= k*f(t)*(G-f(t)) und die wurde ermittelt durch einsetzen von t_w in die Funktionsgleichung. Das k muss so bestimmt werden, dass die Gleichung auch an der Stelle t_w gilt.
  ─   scotchwhisky 17.02.2021 um 13:22

und t_w ist was für ein Punkt?   ─   paypaul22 17.02.2021 um 14:07

Wendepunkt (ist doch oben erklärt) oder genauer: der t_Wert (Abszisse) des Wendepunktes. Der Wert auf der t_Achse, über dem der Wendepunkt liegt.   ─   scotchwhisky 17.02.2021 um 14:12

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Hey Paul,

Um für reale Zusammenhänge eine Differentialgleichung aufzustellen braucht man in der Regel ziemlich detailliertes Wissen über den Prozess den man untersucht. Zum Beispiel "etwas diffundiert proportional zum Gradienten" oder ähnliche Annahmen/ähnliches Vorwissen.
Hier könnte man zum Beispiel argumentieren, dass es sich um ein exponentielles Wachstum mit abschnittsweise konstanten R-Werten handelt und anhand dieses Wissens ein Modell aufstellen. 
Wenn man allerdings bereits einen Graphen hat empfiehlt sich vielleicht auf numerische Methoden für Approximation einer Regression zurückzugreifen.

Falls dir das Alles überhaupt nichts gesagt hat meintest du vielleicht, dass du die Ableitung dieser Funktion suchst. Dann ignoriere den obigen Absatz meiner Erläuterungen (Mathematiker meinen mit Differentialgleichungen eine bestimmte Klasse von Gleichungen, die zur Modellierung von Prozessen dienen, die gleichzeitig von Ableitungen des Prozesses abhängen). 
In diesem Fall kannst du deine Ableitung gut schätzen mit folgenden Überlegungen:
- wenn deine Funktion wächst ist die Ableitung >0, also oberhalb der x-Achse
- wenn deine Funktion fällt, so ist sie unterhalb
- wenn sie stärker wächst oder fällt ist sie weiter von der x-Achse weg, ihr Betrag ist größer
- wenn du keinen Anstieg hast, hast du eine Nullstelle in der Ableitung vorliegen

Eine weitere Möglichkeit, da du hier zu diskreten Zeitpunkten Daten gegeben hast, ist jeweils zwei aufeinanderfolgende Daten zu nehmen und deren Differenz abzutragen. Das Verbinden (bzw. Eine Regression) liefert dir hier eine sehr gute Ableitung.

Die Funktion mit diesen Daten ist nicht differenzierbar, weil sie an diskreten Punkten gemessen, also nicht glatt ist, aber durch die stückweise Differenzenquotienten von je aufeinanderfolgenden Daten erhälst du ein sehr gutes Bild über die Entwicklung des Anstiegs/ der Ableitung.


Ich hoffe irgendeine meiner Ausführungen könnte dir helfen! Frag gern nach ;)
Viele Grüße, jojoliese
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Entschuldige wenn dich Teile meiner Antwort unter- oder überfordern, ich konnte der Frage nicht gut entnehmen in welchem Niveau die Aufgabe gestellt ist. Wenn du mir mehr erzählst kann ich bestimmt genauer helfen!   ─   jojoliese 15.02.2021 um 18:40

Vielen dank schonmal für deine Antwort. Damit du vielleicht etwas mehr über mich weißt: Ich bin Schüler der Q1 und soll im Rahmen einer Facharbeit im Mathe LK eine Differentialgleichung für diesen Graphen aufstellen. Ich habe natürlich Vorwissen in der Differentialrechnung, aber Differentialgleichungen sind normalerweise kein Thema in unserem Lehrplan, weshalb ich mir das alles selbst erarbeiten soll. Ich habe damit Angefangen mich allgemein über DGL zu informieren, also was es z.B. für verschiedene "Arten" der DGL gibt. Jetzt stehe ich nun vor dem Problem eine Passende Methode zu finden um meine Aufgabe zu bewältigen. Was würdest du mir also konkret empfehlen? Worüber sollte ich mich genauer informieren?
LG Paul
  ─   paypaul22 16.02.2021 um 13:39

Hey, also zuerstmal etwas Desillusionierung, sorry ':D ich halte das für eine äußerst schwere Aufgabe. Die Situation ist viel zu komplex, als das Hoffnung besteht, dass du eine "hübsche" DGL findest, die den Prozess in deiner Stadt beschreibt. Es gibt zu viele Faktoren die großen Einfluss haben und nicht so leicht zu determinieren sind (Virustypen, Nachbarregionen, aktuelle Regelungen, Spreader-Events, ein bisschen Glück oder Pech, ...). Nicht böse gemeint, ich könnte das auch nicht!
Nicht umsonst beschäftigt sich hochrangige Wissenschaft sehr ausführlich mit der genauen Entwicklung und an den entscheidenden Faktoren...

Um es trotzdem zu versuchen und einigermaßen sinnvolle Aussagen zu treffen würde ich mit Folgendem beginnen:
Informiere dich über die einfache Modellierung exponentielles Wachstums und den ominösen R-Wert von dem so viel gesprochen wird.
Wie hängt der R-Wert (deiner Stadt) mit der Änderung in einem Zeitraum (dem Differenzenquotienten zwischen einzelnen Daten zusammen)
Kannst du das formelmäßig ausdrücken und damit die (von zeitlicher Änderung betroffenen) R-Werte ermitteln, die ja alle Faktoren (grob!) in sich vereinen sollten und eine Aussage über die aktuelle Ansteckungsrate geben sollten.

Wenn du eine Anfangsbedienung vorgibst und deinen Prozess mit der sich ändernden R-Rate kannst du daraus (das ist eine DGL) eventuell die Entwicklung rekonstruieren.

(Das ist natürlich ein bisschen geschummelt, weil du dir erst die R-Werte heraussuchst, aber ich wüsste nicht wie man sonst diesen höchstkomplizierten Prozess rekonstruieren sollte)
Ich könnte mir vorstellen, dass diese Herangehensweise in der Aufgabe gewünscht ist, da ich mir beim besten Willen keine andere Vorstellen kann, die nicht viel zu kompliziert ist...

Das wäre meine Herangehensweise, ich hoffe das hilft dir irgendwie, auch wenn es gewiss eine etwas unbefriedigende Antwort ist ...
Viele Grüße, jojoliese
  ─   jojoliese 16.02.2021 um 14:07

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Hey, zunächst einmal vielen dank für deine Einschätzung. Sie ist zwar wirklich nicht befriedigend, jedoch bringt sie mich trotzdem weiter, da ich jetzt weiß, dass es so nicht funktioniert. Ich werde mich noch einmal mit meinem Fachlehrer austauschen und abklären wie ich jetzt vorgehen soll. Die Idee mit den R-Werten werde ich weiter verfolgen und ggf. nochmal Nachfragen falls ich bedarf habe.
LG und Vielen Dank, Paul
  ─   paypaul22 16.02.2021 um 14:39

Genau frag gerne nochmal nach, so kommst du bestimmt zu einer Lösung, die halt nur etwas geschummelt ist, weil du dir die R-Werte für die DGL deren Lösung du suchst erstmal aus der Lösung überlegst xD aber natürlich ist es trotzdem sinnvoll solche mathematischen Überlegungen anzustellen!

Frag gerne nach, viele Grüße und viel Glück
  ─   jojoliese 16.02.2021 um 14:46

Der Graph ist aus dem Internet. Also sollte Ich alle Daten zu Excel übertragen?   ─   paypaul22 16.02.2021 um 17:41

schau mal nach bei wikipedia https://de.wikipedia.org/wiki/Beschr%C3%A4nktes_Wachstum

und dort das Unterkapitel Beschränktes logistisches Wachstum. Dort ist auch ein Schaubild zu sehen, wo die Kurve deiner Kurve ähnelt.
  ─   scotchwhisky 16.02.2021 um 17:51

Habe den Graphen jetzt in Excel, bin jedoch nicht mit den Methoden vertraut. Kann ich trotzdem etwas damit machen, was mich weiterbringt?   ─   paypaul22 16.02.2021 um 18:09

Du kannst dir von Excel zumindest auch für meine vorgeschlagene Variante den Anstieg zwischen je zwei Daten und wenn du eine Formel aufgestellt hast auch den R-Wert ausgerechnen lassen, das musst du nicht alles händisch machen!

Aber die vorgeschlagenen Methoden bringen dich bestimmt auch weiter!
  ─   jojoliese 16.02.2021 um 18:33

Wie mach ich das denn? Ich benutze Excel nicht sehr oft und sowas habe ich noch nie gemacht.   ─   paypaul22 16.02.2021 um 21:41

Am Besten du schaust dir Mal ein paar Tutorials an zu Excel Grundlagen an :) Eigentlich ganz einfach, du kannst für einzelne Zellen Formeln eingeben, welche mit Daten aus anderen Zellen Berechnungen anstellen. Zum Beispiel die Differenz von Nachbarzellen unter die zweite schreiben oder so ;) und dann kannst du sowas gleich für ganze Zeilen oder Spalten "ziehen" und musst es nicht manuell eingeben, aber es berechnet dir gleich einen ganzen Satz Daten!
Ich denke da ein paar Grundlagen zu kennen ist in jedem Fall, ob dich das jetzt bei dieser Aufgabe weiterbringt oder nicht, sinnvoll! :) Ein einfaches, nützliches Werkzeug
  ─   jojoliese 16.02.2021 um 21:48

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