diff --git a/Mathematik-V-ZF.tex b/Mathematik-V-ZF.tex index ac4e832..c54dd78 100644 --- a/Mathematik-V-ZF.tex +++ b/Mathematik-V-ZF.tex @@ -5,7 +5,7 @@ \usepackage{ifthen} \usepackage[a4paper, landscape]{geometry} \usepackage{hyperref} -% \usepackage{ccicons} +\usepackage{ccicons} \usepackage{amsmath, amsfonts, amssymb, amsthm} \usepackage{listings} \usepackage{graphicx} @@ -138,12 +138,10 @@ \begin{center} \Large{ZF Mathematik V} \\ - \small{701-0106-00L Mathematik V, bei M. A. Sprenger} \\ - \small{Jannis Portmann \the\year} -\end{center} - -\begin{center} - \rule{\linewidth}{0.25pt} + \small{701-0106-00L Mathematik V, bei M. A. Sprenger} \\ + \small{Jannis Portmann \the\year} \\ + {\ccbysa} +\rule{\linewidth}{0.25pt} \end{center} \section{Gewöhnliche Differentialgleichungen} @@ -157,21 +155,84 @@ $$H(t) = (H_0 - v_0\tau)^{\frac{-t}{\tau}} + v_0 \tau$$ Für eine Funktion $F$, bei $$\frac{dF}{dt} = 0$$ +\section{Vektoranalysis} \subsection{Satz von Gauss} $$\iint_A \mathrm{div} \, v \, dA = \oint_C \, v \, dr$$ Flächenintegral der Divergenz von $v$ = Fluss von $v$ durch Rand $C$ \subsection{Satz von Stokes} -$$\iint_A \mathrm{rot} \, v \, dA = \iint_A \zeta \, dA = \oint_C \, v \, ds$$ +$$\iint_A \mathrm{rot} \, v \, dA = \iint_A \xi \, dA = \oint_C \, v \, ds$$ Flächenintegral der Rotation von $v$ = Linienintegral von $v$ entlang $C$ (Zirkulation) \vspace{5px} \textbf{Bsp} \\ -Für eine Vorticity-Dsik mit $\zeta = \zeta_0$, $r=2R$ soll $u_\varphi$ bei $r=4R$ berechnet werden. \\ +Für eine Vorticity-Dsik mit $\xi = \xi_0$, $r=2R$ soll $u_\varphi$ bei $r=4R$ berechnet werden. \\ Der Satz von Stokes lifert: -$$\zeta_0 \cdot (2R)^2 \pi = \int_0^{2\pi}u_\varphi \cdot 4R \cdot d\varphi$$ -nach $u_\varphi$ auflösen: $u_\varphi = \frac{1}{2} \zeta_0 R$ +$$\xi_0 \cdot (2R)^2 \pi = \int_0^{2\pi}u_\varphi \cdot 4R \cdot d\varphi$$ +nach $u_\varphi$ auflösen: $u_\varphi = \frac{1}{2} \xi_0 R$ + +\subsection{Koordinatentransformation} +Wir verwenden meistens geographische Koordinaten. +\begin{figure}[H] + \centering + \includegraphics[width=.15\textwidth]{1024px-Geographic_coordinates_sphere.png} + \caption{Geographisches Koorinatensystem} + \label{fig:geo-coordinates} + \end{figure} + +\vspace{5px} + +Wir definieren für Kugelkoordinaten einen Würfel mit: +$$dx = h_1 \, da$$ +$$dy = h_2 \, db$$ +$$dz = h_3 \, dc$$ +wobei jeweils $\vec{e_x} = \vec{e_a}$ etc. \\ +Aus dem obigen folgen mit dem Satz von Gauss: +$$\mathrm{div} \, v = \frac{1}{h_1 \, h_2} \bigg(\frac{\partial}{\partial a}(u \, h_2) + \frac{\partial}{\partial b}(v \, h_1) \bigg)$$ +Analog mit dem Satz von Stokes: +$$\xi = \frac{1}{r \, \cos\varphi} \frac{\partial v}{\partial \lambda} - \frac{1}{r}\frac{\partial u}{\partial \varphi} + \frac{\tan \varphi}{r} u$$ +Der letzte Term folgt aus der Produkteregel! + +\section{Matrixmethoden} +\subsection{Equilibrium} +Setze $\frac{df_i}{dn_j} = 0$ und löse Gleichungssystem + +\subsection{Jacobimatrix} +$$J = \left( \begin{array}{ccc} + \frac{\partial f_1}{\partial n_1} \ldots \frac{\partial f_1}{\partial n_k} \\ + \vdots \ddots \vdots \\ + \frac{\partial f_k}{\partial n_1} \ldots \frac{\partial f_k}{\partial n_k} +\end{array} \right)$$ + +Eigenwerte $\det(\textbf{J} - \lambda \textbf{I}) = 0$ wobei $\lambda \in \mathbb{C}, \lambda= x + iy$ \\ + +\vspace{5px} +\begin{itemize} + \item $x < 0$ für alle $\lambda_i$: stabil \\ + \item $x = 0$ für mindestens ein $\lambda_i$: kann neutral sein \\ + \item $x > 0$ für mindestens ein $\lambda_i$: instabil \\ + \item $y > 0$ für mindestens ein $\lambda_i$: Oszillation um Equilibrium \\ + \item $x$ ist die Konvergenz-/Divergenz-Rate zum/vom Equlibrium \\ + \item $1/y$ ist die Periode der Oszillation +\end{itemize} + + +\subsection{SIR-Modell} +SIR: Susceptible-Infected-Recovered \\ +\vspace{10px} +$\Lambda$: Geburten- oder Immigrationsrate \\ +$\delta_S, \delta_I, \delta_R$: Sterberaten der jeweiligen (Teil-)populationen +$r$: Erholungsrate von $I$ +$\beta S I$: Mass-action Infektionsrate + +\begin{itemize} + \item Disease-free equilibrium: + $$S_f = \Lambda / \delta_S, I_f=0, R_f=0$$ + \item Endemic equilibrium: + $$S = \frac{\delta_1 + r}{\beta} , I_e=\frac{\Lambda}{\delta_1} - \frac{\delta_S}{\beta}, R_e = \frac{r}{\delta_R}(\frac{\Lambda}{\delta_1 + r} - \frac{\delta_S}{\beta})$$ + \item +\end{itemize} \section{Taylor-Reihe} An der stelle $a$ einer Funtkion $f(x)$ @@ -204,6 +265,11 @@ Jannis Portmann, FS21 \item Skript zur Vorlesung \end{enumerate} +\section*{Bildquellen} +\begin{itemize} + \item Abb. \ref{fig:geo-coordinates}: E\^(nix) \& ttog, \url{https://de.wikipedia.org/wiki/Geographische_Koordinaten#/media/Datei:Geographic_coordinates_sphere.svg} +\end{itemize} + \end{multicols*} \end{document} diff --git a/img/1024px-Geographic_coordinates_sphere.png b/img/1024px-Geographic_coordinates_sphere.png new file mode 100644 index 0000000..482b4e2 Binary files /dev/null and b/img/1024px-Geographic_coordinates_sphere.png differ