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Herleitung einer Differentialgleichung

Frage: Herleitung einer Differentialgleichung
(16 Antworten)


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Hatten in der Vorlesung eine Differentialgleichung, aber ich komme mit den Schritten aus dem Script nicht ganz mit. Und aufgrund einer ähnlichen Aufgabe, die ich zu bewältigen habe, muss ich das hier erstmal verstehen aus dem Script:


Zitat:
Der physikalische Satz von Torricelli besagt, dass die Geschwindigkeit mit dem das Wasser
herausströmt, proportional zur Quadratwurzel der Höhee ist: vol`(t) = -c1 *sqrt(h(t)).

Hier ist vol (t) das Volumen des Wassers. Wenn man den Eimer als Zylinder betrachtet mit Radius
r, dann gilt für das Volumen vol (t) = pi*r²*h(t) und die Gleichung folgt mit c = c1 r^(-2)/pi


Man findet die Lösung: h(t) = 0 und

h(t) = sqrt(h_0)-1/2c (t-t_0)² für t aus....



So weiter will ich gar nicht schreiben Leute. Mir gehts darum, wie gehe ich bei so einer Herleitung vor. Ich habe vol`(t) gegeben nach dem physikalischen Gesetz.

vol`(t) = -c1 *sqrt(h(t))


soll ich das nun mit vol (t) = pi*r²*h(t) gleichsetzen? Denn das wäre ja abgeleitet:

vol`(t) = pi*r²*h`(t)

Ich könnte gleichsetzen und dann durch Integration versuchen h(t) zu bestimmen. Aber es wirkt sehr merkwürdig.
Frage von shiZZle | am 13.10.2012 - 22:16


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Antwort von v_love | 13.10.2012 - 22:38
kannst du i.a. so natürlich nicht machen, weil r i.a. auch von t abhängen wird.


du bräuchtest noch die geometrie des objektes (welche eine funktion r=r(h) liefert, in deinem fall r=h), um konkret etwas zu rechnen.


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Antwort von shiZZle | 13.10.2012 - 22:47
r = h ? Ja es geht hier um einen Eimer, aber wieso sollte der Radius eines Eimers seine Höhe wiedergeben?


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Antwort von shiZZle | 13.10.2012 - 23:04
sehe auch noch nicht ganz, was sich dabei ändert:

-c1 *sqrt(h(t)) = pi*r²*h`(t)

<=> -c1/pi = h²(t)*h`(t)/ sqrt(h(t))


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Antwort von v_love | 13.10.2012 - 23:15
"r = h ? Ja es geht hier um einen Eimer, aber wieso sollte der Radius eines Eimers seine Höhe wiedergeben?"

beim eimer natürlich nicht, aber bei deinem kegel schon.

"sehe auch noch nicht ganz, was sich dabei ändert:..."

die ableitung von h³ ist naürlich nicht h`(t)*h²(t).


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Antwort von shiZZle | 13.10.2012 - 23:33
habe natürlich was vergessen:

h³(t) = 3h(t)²*h`(t)

Aber oben geht es ja um einen Eimer. Bei meinem Kegel bin ich ja noch gar nicht. Woher weisst du, dass ich hier an einem Kegel sitze? Mensch v_love :D

Und oben kriege ich leider nie die selbe Gleichung raus wie der Prof.

-c1*sqrt(h(t)) = 3pi*h(t)²*h`(t)

Naja bisschen Integrieren, dann kriegt man:


h(t) = (5/(6pi) )^(2/5) *(pi*c_2-c_1*t)^(2/5)


Wie kommt man aber auf:

h(t) = sqrt(h_0)-1/2c*(t-t_0)²


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Antwort von shiZZle | 13.10.2012 - 23:35
ach ja natürlich, in dem fall ist ja r nicht mehr r=h. Wie hat er den Radius weggehauen?

Hat er vllt: c = c_1r^(-2)/pi benutzt? Wenn ja, wann hat er es eingesetzt?


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Antwort von v_love | 13.10.2012 - 23:41
wenn du das integrierst kommst du nunmal auf eine quadratische funktion, die r als parameter enthält.


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Antwort von shiZZle | 13.10.2012 - 23:57
Welche Integration meinst du gerade? Ich sollte mich glaube ich lieber mal auf eine als auf zwei Aufgaben konzentrieren


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Antwort von v_love | 14.10.2012 - 00:17
integration von h^(-1/2) und const.


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Antwort von shiZZle | 14.10.2012 - 16:34
Sorry bin über einer anderen Aufgabe eiingeschlafen. So nun nochmal, langsam nervt mich die aufgabe:

Gegeben: Kegel und vol(t) = 1/3*pi*h(t)^3 => vol`(t) = pi*h(t)^2 *h`(t)

nach Torricelli: vol`(t) = -c1 *sqrt(h(t))


gleichsetzen: -c1 *sqrt(h(t)) = pi*h(t)^2 *h`(t)


=> -c1/pi * t + c = Int h(t)^2 * h`(t)/sqrt(h(t)) dt = 2/5 * h(t)^(5/2)


nun nur noch alles nach h(t) umformen:


h(t) = 5-te sqrt( (-5/2 ( c1/pi *t + c))^2)


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Antwort von v_love | 14.10.2012 - 22:20
paar feinheiten noch:

-max. existenzintervall angeben.
-anfangsbedingung beachten
-auf division durch 0 achten.


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Antwort von shiZZle | 14.10.2012 - 22:28
Den fall das h(t) = 0 habe ich schon ausgeschlossen.


Zu den anderen beiden: Woran erkenne ich die? Besonders Probleme habe ich mit dem erkennen des max. Existenzintervalls. Kannst mir da mal sagen, wie man am besten vorgeht?


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Antwort von v_love | 14.10.2012 - 22:35
-anfangswert muss im max. existenzintervall liegen
-das max. existenzintervall ist ein (offenes) INTERVALL (ja, so komisch es auch klingt, ist das ein häufig gemachter fehler)
-schauen, wo der term prinzipiell nichts "sinnvolles" ausspuckt (division durch 0, negativer radikand, etc.)


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Antwort von v_love | 14.10.2012 - 22:38
... und bei anwendungsaufgaben ist zusätzlich noch auf ein paar sachen zu achten, z.b. das längen nichtnegativ sind oder die zeit stets in positive richtung läuft (kausalitätsprinzip)


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Antwort von shiZZle | 14.10.2012 - 23:36
alles klar werd ich mir morgen mal anschauen.

Habe aber gerade noch ein kleines anderes PRoblem:


x`(t) = t(1-x(t)^2)

Habe einmal folgendes durch partialbruchzerlegung herausbekommen:

1/2 ln(1+x(t))-1/2ln(1-x(t)) = 1/2t^2 +c

doch hier fällt es mir schwer die beiden zusammen zu bringen, da ich das nur könnte wenn 1-x(t) und 1+x(t) positiv wäre. Also was tun (das ist meine erste Frage)?

Doch dann habe ich mal genauer hingeschaut auf das Integral und sehe aufeinmal das die linke seite auch anders integriert werden kann.

tanh^(-1)(x(t)) = 1/2t^2+c

Wie kommts das die beiden Seiten gleich sind?


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Antwort von v_love | 14.10.2012 - 23:50
"doch hier fällt es mir schwer die beiden zusammen zu bringen, da ich das nur könnte wenn 1-x(t) und 1+x(t) positiv wäre."

stammfkt. von 1/x ist ln|x|.

"Wie kommts das die beiden Seiten gleich sind?"

artanh(x)=1/2*ln[(x+1)/(x-1)] für |x|<1 sollte man hier wissen

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