Numerische Approximation

Approximation des Federpendels

Wir betrachten eine ideale Feder ohne Reibung. Federkonstante D und Masse m sind frei einstellbar (anfangs jeweils 1). Wähle beliebige Verfahren zum direkten Vergleich. Mit h und N bestimmst du die Schrittweite und die Anzahl Schritte: T = N · h.

Die Linien verbinden die berechneten Stützstellen. Der Fehler ist der absolute Fehler der gewählten Größe (Position in m oder Gesamtenergie in J). Die Gesamtenergie E = ½Dx² + ½mv² bleibt in der exakten Lösung konstant. Große Schritte können ungenau oder instabil sein; beim expliziten Euler wächst die Schwingungsamplitude künstlich.

Parameter
Reibungsfreies FederpendelLive
Position im Zeitverlauf
Absoluter Positionsfehler
Maximaler absoluter Positionsfehler an den Stützstellen
VerfahrenFehler (m)
Euler1.575e+0
Euler-Cromer5.726e-2
Heun2.961e-2
Leapfrog7.631e-3
Runge-Kutta-41.460e-5
Wertetabellen zu den Diagrammen

CSV-Downloads enthalten alle Stützstellen ohne zusätzliche Rundung, mit Semikolon als Trennzeichen und Dezimalpunkt.

Die ersten 50 Stützstellen je Verfahren. Die Diagramme enthalten alle berechneten Punkte. Die Fehler werden auch bei ausgeblendeter exakter Kurve gegen die analytische Lösung berechnet.

Euler · Zeit in Sekunden, Position und Fehler in m
tNumerischExaktFehler
0.001.000001.000000.000e+0
0.101.000000.9950044.996e-3
0.200.9900000.9800679.933e-3
0.300.9700000.9553361.466e-2
0.400.9401000.9210611.904e-2
0.500.9005000.8775832.292e-2
0.600.8514990.8253362.616e-2
0.700.7934930.7648422.865e-2
0.800.7269720.6967073.027e-2
0.900.6525160.6216103.091e-2
1.000.5707900.5403023.049e-2
1.100.4825400.4535962.894e-2
1.200.3885810.3623582.622e-2
1.300.2897970.2674992.230e-2
1.400.1871270.1699671.716e-2
1.500.08155910.07073721.082e-2
1.60-0.0258801-0.02919953.319e-3
1.70-0.134135-0.1288445.290e-3
1.80-0.242131-0.2272021.493e-2
1.90-0.348785-0.3232902.550e-2
2.00-0.453019-0.4161473.687e-2
2.10-0.553764-0.5048464.892e-2
2.20-0.649979-0.5885016.148e-2
2.30-0.740657-0.6662767.438e-2
2.40-0.824835-0.7373948.744e-2
2.50-0.901606-0.8011441.005e-1
2.60-0.970129-0.8568891.132e-1
2.70-1.02964-0.9040721.256e-1
2.80-1.07944-0.9422221.372e-1
2.90-1.11895-0.9709581.480e-1
3.00-1.14767-0.9899921.577e-1
3.10-1.16519-0.9991351.661e-1
3.20-1.17124-0.9982951.729e-1
3.30-1.16564-0.9874801.782e-1
3.40-1.14832-0.9667981.815e-1
3.50-1.11935-0.9364571.829e-1
3.60-1.07889-0.8967581.821e-1
3.70-1.02724-0.8481001.791e-1
3.80-0.964806-0.7909681.738e-1
3.90-0.892096-0.7259321.662e-1
4.00-0.809738-0.6536441.561e-1
4.10-0.718459-0.5748241.436e-1
4.20-0.619083-0.4902611.288e-1
4.30-0.512522-0.4007991.117e-1
4.40-0.399770-0.3073339.244e-2
4.50-0.281892-0.2107967.110e-2
4.60-0.160018-0.1121534.787e-2
4.70-0.0353239-0.01238872.294e-2
4.800.09097000.08749903.471e-3
4.900.2176170.1865123.110e-2
Euler-Cromer · Zeit in Sekunden, Position und Fehler in m
tNumerischExaktFehler
0.001.000001.000000.000e+0
0.100.9900000.9950045.004e-3
0.200.9701000.9800679.967e-3
0.300.9404990.9553361.484e-2
0.400.9014930.9210611.957e-2
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1.000.4978140.5403024.249e-2
1.100.4085610.4535964.504e-2
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1.300.2187310.2674994.877e-2
1.400.1200520.1699674.991e-2
1.500.02017360.07073725.056e-2
1.60-0.0799069-0.02919955.071e-2
1.70-0.179188-0.1288445.034e-2
1.80-0.276678-0.2272024.948e-2
1.90-0.371401-0.3232904.811e-2
2.00-0.462410-0.4161474.626e-2
2.10-0.548794-0.5048464.395e-2
2.20-0.629691-0.5885014.119e-2
2.30-0.704291-0.6662763.802e-2
2.40-0.771848-0.7373943.445e-2
2.50-0.831687-0.8011443.054e-2
2.60-0.883208-0.8568892.632e-2
2.70-0.925898-0.9040722.183e-2
2.80-0.959328-0.9422221.711e-2
2.90-0.983166-0.9709581.221e-2
3.00-0.997171-0.9899927.179e-3
3.10-1.00121-0.9991352.070e-3
3.20-0.995227-0.9982953.068e-3
3.30-0.979296-0.9874808.183e-3
3.40-0.953573-0.9667981.323e-2
3.50-0.918314-0.9364571.814e-2
3.60-0.873872-0.8967582.289e-2
3.70-0.820691-0.8481002.741e-2
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4.00-0.614438-0.6536443.921e-2
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4.900.2376850.1865125.117e-2
Heun · Zeit in Sekunden, Position und Fehler in m
tNumerischExaktFehler
0.001.000001.000000.000e+0
0.100.9950000.9950044.165e-6
0.200.9800250.9800674.158e-5
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1.100.4520290.4535961.568e-3
1.200.3605530.3623581.805e-3
1.300.2654600.2674992.039e-3
1.400.1677040.1699672.264e-3
1.500.06826360.07073722.474e-3
1.60-0.0318633-0.02919952.664e-3
1.70-0.131673-0.1288442.829e-3
1.80-0.230166-0.2272022.964e-3
1.90-0.326353-0.3232903.063e-3
2.00-0.419271-0.4161473.124e-3
2.10-0.507988-0.5048463.142e-3
2.20-0.591615-0.5885013.114e-3
2.30-0.669313-0.6662763.037e-3
2.40-0.740304-0.7373942.910e-3
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3.20-0.998370-0.9982957.476e-5
3.30-0.987007-0.9874804.728e-4
3.40-0.965749-0.9667981.049e-3
3.50-0.934810-0.9364571.647e-3
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4.10-0.569528-0.5748245.296e-3
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4.40-0.300533-0.3073336.800e-3
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4.900.1946240.1865128.112e-3
Leapfrog · Zeit in Sekunden, Position und Fehler in m
tNumerischExaktFehler
0.001.000001.000000.000e+0
0.100.9950000.9950044.165e-6
0.200.9800500.9800671.658e-5
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0.400.9209960.9210616.499e-5
0.500.8774830.8775831.000e-4
0.600.8251940.8253361.413e-4
0.700.7646540.7648421.881e-4
0.800.6964670.6967072.394e-4
0.900.6213160.6216102.941e-4
1.000.5399510.5403023.511e-4
1.100.4531870.4535964.090e-4
1.200.3618910.3623584.666e-4
1.300.2669760.2674995.226e-4
1.400.1693920.1699675.755e-4
1.500.07011310.07073726.242e-4
1.60-0.0298666-0.02919956.671e-4
1.70-0.129548-0.1288447.032e-4
1.80-0.227933-0.2272027.311e-4
1.90-0.324039-0.3232907.499e-4
2.00-0.416905-0.4161477.585e-4
2.10-0.505602-0.5048467.560e-4
2.20-0.589243-0.5885017.417e-4
2.30-0.666991-0.6662767.151e-4
2.40-0.738070-0.7373946.759e-4
2.50-0.801767-0.8011446.237e-4
2.60-0.857447-0.8568895.586e-4
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2.80-0.942613-0.9422223.906e-4
2.90-0.971247-0.9709582.887e-4
3.00-0.990168-0.9899921.758e-4
3.10-0.999188-0.9991355.293e-5
3.20-0.998216-0.9982957.881e-5
3.30-0.987262-0.9874802.181e-4
3.40-0.966435-0.9667983.634e-4
3.50-0.935944-0.9364575.131e-4
3.60-0.896093-0.8967586.655e-4
3.70-0.847281-0.8481008.188e-4
3.80-0.789997-0.7909689.709e-4
3.90-0.724812-0.7259321.120e-3
4.00-0.652380-0.6536441.264e-3
4.10-0.573424-0.5748241.400e-3
4.20-0.488733-0.4902611.528e-3
4.30-0.399155-0.4007991.644e-3
4.40-0.305586-0.3073331.747e-3
4.50-0.208960-0.2107961.835e-3
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4.900.1885200.1865122.008e-3
Runge-Kutta-4 · Zeit in Sekunden, Position und Fehler in m
tNumerischExaktFehler
0.001.000001.000000.000e+0
0.100.9950040.9950041.389e-9
0.200.9800670.9800671.940e-8
0.300.9553370.9553365.374e-8
0.400.9210610.9210611.038e-7
0.500.8775830.8775831.686e-7
0.600.8253360.8253362.470e-7
0.700.7648430.7648423.373e-7
0.800.6967070.6967074.379e-7
0.900.6216110.6216105.466e-7
1.000.5403030.5403026.612e-7
1.100.4535970.4535967.794e-7
1.200.3623590.3623588.986e-7
1.300.2675000.2674991.016e-6
1.400.1699680.1699671.129e-6
1.500.07073840.07073721.235e-6
1.60-0.0291982-0.02919951.331e-6
1.70-0.128843-0.1288441.415e-6
1.80-0.227201-0.2272021.484e-6
1.90-0.323288-0.3232901.536e-6
2.00-0.416145-0.4161471.568e-6
2.10-0.504845-0.5048461.579e-6
2.20-0.588500-0.5885011.567e-6
2.30-0.666274-0.6662761.530e-6
2.40-0.737392-0.7373941.469e-6
2.50-0.801142-0.8011441.381e-6
2.60-0.856887-0.8568891.267e-6
2.70-0.904071-0.9040721.127e-6
2.80-0.942221-0.9422229.618e-7
2.90-0.970957-0.9709587.714e-7
3.00-0.989992-0.9899925.575e-7
3.10-0.999135-0.9991353.219e-7
3.20-0.998295-0.9982956.646e-8
3.30-0.987480-0.9874802.062e-7
3.40-0.966799-0.9667984.935e-7
3.50-0.936457-0.9364577.921e-7
3.60-0.896760-0.8967581.099e-6
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