Chapter 28: Problem 2
Für \((x, y)^{\mathrm{T}}\) aus dem Rechteck $$ R=\\{(x, y)|| x|<10, \quad| y-1 \mid
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Chapter 28: Problem 2
Für \((x, y)^{\mathrm{T}}\) aus dem Rechteck $$ R=\\{(x, y)|| x|<10, \quad| y-1 \mid
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Die Verteilung und der Abbau von Alkohol im menschlichen Körper kann durch das folgende einfache Modell beschrieben werden. Mit \(B(t)\) bezeichnet man die Menge an Alkohol im Blut zum Zeitpunkt \(t\), mit \(G(t)\) die Menge an Alkohol im Gewebe. Der Austausch des Alkohols zwischen Blut und Gewebe sowie die Ausscheidung werden durch das Differenzialgleichungssystem $$ \begin{aligned} B^{\prime}(t) &=-\alpha B(t)-\beta B(t)+\gamma G(t) \\ G^{\prime}(t) &=\beta B(t)-\gamma G(t) \end{aligned} $$ beschrieben. Dabei beschreibt der Koeffizient \(\alpha\) die Geschwindigkeit der Ausscheidung aus dem Körper, der Koeffizient \(\beta\) die Geschwindigkeit des Übergangs vom Blut ins Gewebe und der Koeffizient \(\gamma\) die des Übergangs vom Gewebe ins Blut. Geben Sie das Verhalten des Alkoholgehalts qualitativ an. Was ist bei der numerischen Lösung des Systems zu beachten?
Das Anfangswertproblem \(\boldsymbol{x}^{\prime}(t)=\boldsymbol{A} \boldsymbol{x}(t)=\left(\begin{array}{cc}-60 & 20 \\ 118 & -41\end{array}\right) \boldsymbol{x}(t), \quad t>0\) mit \(\boldsymbol{x}(0)=(1,1)^{\mathrm{T}}\) soll einmal mit dem Euler-Verfahren $$ \boldsymbol{x}_{k+1}=\boldsymbol{x}_{k}+h \boldsymbol{A} \boldsymbol{x}_{k}, \quad k=1,2, \ldots $$ und mit dem Rückwärts-Euler-Verfahren $$ \boldsymbol{x}_{k+1}=\boldsymbol{x}_{k}+h \boldsymbol{A} \boldsymbol{x}_{k+1}, \quad k=1,2, \ldots $$ und der Schrittweite \(h=0.1\) gelöst werden. Führen Sie für beide Verfahren jeweils die ersten 5 Schritte durch. Verwenden Sie dazu nach Möglichkeit einen Computer, da die auftretenden Rechnungen unhandlich sind. Welche Schlussfolgerungen ziehen Sie?
Berechnen Sie die ersten drei sukzessiven Iterationen zu dem Anfangswertproblem $$ u^{\prime}(x)=x-(u(x))^{2}, \quad x \in \mathbb{R}, \quad u(0)=1. $$
Lösen Sie das Anfangswertproblem $$ \boldsymbol{u}^{\prime}(x)=\left(\begin{array}{ccc} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & -1 \\ 0 & 1 & 1 \end{array}\right) \boldsymbol{u}(x), \quad \boldsymbol{u}(0)=\left(\begin{array}{l} 1 \\ 1 \\ 1 \end{array}\right). $$
Zu lösen ist das Randwertproblem $$ \begin{array}{r} x u^{\prime \prime}(x)+u^{\prime}(x)-u(x)=x^{2} \\ u(0)=0, \quad u(1)=0 \end{array} $$ Formulieren Sie das Randwertproblem als Variationsgleichung. Stellen Sie außerdem das lineare Gleichungssystem auf, das bei der Methode der finiten Elemente mit 4 Hutfunktionen gelöst werden muss.
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