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Du befindest Dich in einem Team, das beauftragt wurde, ein neues Verkehrssystemmodell für eine Großstadt zu entwickeln. Der Zweck des Modellierens besteht darin, den Verkehrsfluss zu verstehen, Vorhersagen zu treffen und eventuelle Optimierungen vorzuschlagen. Das Modell sollte sowohl deterministische als auch stochastische Elemente beinhalten, um verschiedene Szenarien simulieren zu können. Gegeben sind folgende Annahmen:
Beschreibe ausführlich die Abstraktionsebenen, die für das Modellsystem des Verkehrssystems verwendet werden könnten. Gehe dabei auf die Makro-, Meso- und Mikroebene ein und erläutere die Unterschiede und Anwendungsbeispiele für jede Ebene in diesem Kontext.
Lösung:
Beim Modellieren eines Verkehrssystems können verschiedene Abstraktionsebenen verwendet werden, um den Verkehrsfluss und die damit verbundenen Phänomene zu simulieren. Diese Ebenen sind die Makroebene, die Mesoebene und die Mikroebene. Jede dieser Ebenen bietet unterschiedliche Perspektiven und hat spezifische Anwendungsbereiche. Hier ist eine detaillierte Beschreibung dieser Ebenen in Bezug auf das Verkehrssystem:
Die Makroebene befasst sich mit dem Verkehr auf einer sehr hohen, aggregierten Ebene. Diese Ebene konzentriert sich auf großräumige Verkehrsmuster und -flüsse innerhalb der gesamten Stadt oder zwischen verschiedenen Stadtteilen.
Anwendungsbeispiele:
Unterschiede zur Meso- und Mikroebene: Die Makroebene abstrahiert von den Details des individuellen Verkehrsverhaltens und konzentriert sich auf aggregierte Daten und allgemeine Trends.
Die Mesoebene befasst sich mit dem Verkehr auf einer mittleren Ebene, die detaillierter ist als die Makroebene, aber weniger granular als die Mikroebene. Sie konzentriert sich auf spezifische Teile des Verkehrsnetzes, wie z.B. einzelne Straßen oder Knotenpunkte.
Anwendungsbeispiele:
Unterschiede zur Makro- und Mikroebene: Die Mesoebene berücksichtigt mehr Details als die Makroebene, wie die dynamische Interaktion zwischen Fahrzeugen an spezifischen Knotenpunkten. Sie ist jedoch weniger detailliert als die Mikroebene, da sie nicht auf das einzelne Fahrzeug achtet.
Die Mikroebene befasst sich mit dem Verkehr auf der detailliertesten Ebene. Hier wird das Verhalten einzelner Fahrzeuge und Fahrer untersucht, einschließlich ihrer Interaktionen und Entscheidungen.
Anwendungsbeispiele:
Unterschiede zur Makro- und Mesoebene: Die Mikroebene bietet eine detaillierte Sicht auf das individuelle Fahrverhalten, was sie deutlich granularer und datenintensiver macht als die anderen beiden Ebenen. Sie erfordert umfangreichere Daten und komplexere Modelle.
Zusammengefasst liefern die Makro-, Meso- und Mikroebene umfassende Einblicke in das Verkehrssystem aus unterschiedlichen Perspektiven. Ihre Kombination ermöglicht es, ein ganzheitliches Modell zu erstellen, das die Realität sowohl auf aggregierter als auch auf detaillierter Ebene widerspiegeln kann.
Lösungsmethoden für lineare und nichtlineare Gleichungen Du solltest in der Lage sein, verschiedene numerische Methoden zur Lösung von linearen und nichtlinearen Gleichungen anzuwenden und die jeweilige Methodik sowie deren Vor- und Nachteile zu erklären. Die Methoden umfassen den Gauss-Algorithmus, die LU-Dekomposition, iterative Verfahren wie Jacobi und Gauss-Seidel, und das Newton-Raphson-Verfahren.Gegeben sei das folgende System von Gleichungen:
1. 4x + y - z = 72. 2x + 3y + z = 43. -x + 2y + 5z = 1
a) Verwende den Gauss-Algorithmus, um die Lösung \(\boldsymbol{x}\) des obigen Gleichungssystems zu berechnen. Zeige jeden Schritt des Verfahrens und erläutere, wie Du die Dreiecksmatrix erhältst.
Lösung:
Aufgabe:Lösungsmethoden für lineare und nichtlineare Gleichungen Du solltest in der Lage sein, verschiedene numerische Methoden zur Lösung von linearen und nichtlinearen Gleichungen anzuwenden und die jeweilige Methodik sowie deren Vor- und Nachteile zu erklären. Die Methoden umfassen den Gauss-Algorithmus, die LU-Dekomposition, iterative Verfahren wie Jacobi und Gauss-Seidel, und das Newton-Raphson-Verfahren.Gegeben sei das folgende System von Gleichungen:
1. 4x + y - z = 72. 2x + 3y + z = 43. -x + 2y + 5z = 1a) Verwende den Gauss-Algorithmus, um die Lösung \(\boldsymbol{x}\) des obigen Gleichungssystems zu berechnen. Zeige jeden Schritt des Verfahrens und erläutere, wie Du die Dreiecksmatrix erhältst.
Schritt 2: Eliminiere das erste Element der dritten Zeile
- Addiere das Doppelte der ersten Zeile zu der zweiten Zeile:
\(R2 = R2 + 2 \times R1\)
\[ \begin{align*} \begin{pmatrix} 4 & 1 & -1 & | & 7 \ 0 & 5 & 3 & | & 18 \ -1 & 2 & 5 & | & 1 \end{pmatrix} \end{align*} \]
- Ergebnisse: Das erste Element in der zweiten Zeile ist nun Null.
Schritt 3: Eliminiere das zweite Element der dritten Zeile
- Subtrahiere das Vierfache der ersten Zeile von der dritten Zeile:
\(R3 = R3 + R1\)
\[ \begin{align*} \begin{pmatrix} 4 & 1 & -1 & | & 7 \ 0 & 5 & 3 & | & 18 \ 0 & 3 & 4 & | & 8 \end{pmatrix} \end{align*} \]
- Ergebnisse: Das erste Element in der dritten Zeile ist nun Null.
Die Dreiecksmatrix:
- Ziehe \(\frac{3}{5}\) der zweiten Zeile von der dritten Zeile ab:
\(R3 = R3 - \(\frac{3}{5}\times R2\))
\[ \begin{align*} \begin{pmatrix} 4 & 1 & -1 & | & 7 \ 0 & 5 & 3 & | & 18 \ 0 & 0 & 2.2 & | & -2.8 \end{pmatrix} \end{align*} \]
- Ergebnisse: Das zweite Element in der dritten Zeile ist nun Null.
Die Matrix ist nun in der oberen Dreiecksmatrix, und wir können die Lösung durch Rückwärtssubstitution ermitteln:
\(2.2z = -2.8\)
\(5y + 3z = 18\)
\(5y - 3.81 = 18\)
\(4x + y - z = 7\)
b) Implementiere das Newton-Raphson-Verfahren in einer Programmiersprache Deiner Wahl, um die Wurzel der nichtlinearen Funktion \(\boldsymbol{f(x) = x^3 - 2x + 1}\) zu finden. Beginnend mit einem Startwert von \(\boldsymbol{x_0 = 1}\), zeige mindestens drei Iterationsschritte. Dein Code sollte sauber kommentiert sein und die Konvergenz erklären.
Lösung:
Aufgabe:Lösungsmethoden für lineare und nichtlineare Gleichungen Du solltest in der Lage sein, verschiedene numerische Methoden zur Lösung von linearen und nichtlinearen Gleichungen anzuwenden und die jeweilige Methodik sowie deren Vor- und Nachteile zu erklären. Die Methoden umfassen den Gauss-Algorithmus, die LU-Dekomposition, iterative Verfahren wie Jacobi und Gauss-Seidel, und das Newton-Raphson-Verfahren.Gegeben sei das folgende System von Gleichungen:
1. 4x + y - z = 72. 2x + 3y + z = 43. -x + 2y + 5z = 1b) Implementiere das Newton-Raphson-Verfahren in einer Programmiersprache Deiner Wahl, um die Wurzel der nichtlinearen Funktion \(\boldsymbol{f(x) = x^3 - 2x + 1}\) zu finden. Beginnend mit einem Startwert von \(\boldsymbol{x_0 = 1}\), zeige mindestens drei Iterationsschritte. Dein Code sollte sauber kommentiert sein und die Konvergenz erklären.Python Implementierung:
def newton_raphson(f, df, x0, tol=1e-7, max_iter=100): ''' Implementiert das Newton-Raphson-Verfahren. f: die Funktion, deren Nullstelle gefunden werden soll df: die Ableitung der Funktion f x0: Startwert tol: Toleranz für die Konvergenz max_iter: maximale Anzahl von Iterationen ''' x = x0 for i in range(max_iter): fx = f(x) dfx = df(x) if abs(dfx) < 1e-10: raise ValueError('Die Ableitung ist nahezu null') x_new = x - fx/dfx print(f'Iteration {i+1}: x = {x_new}, f(x) = {f(x_new)}') if abs(x_new - x) < tol: print('Konvergenz erreicht') return x_new x = x_new raise ValueError('Maximum an Iterationen erreicht, keine Konvergenz')# Definition der Funktion f(x) und ihrer Ableitung df(x)def f(x): return x**3 - 2*x + 1def df(x): return 3*x**2 - 2# Startwert x0 = 1x0 = 1# Aufruf des Newton-Raphson-Verfahrenswurzel = newton_raphson(f, df, x0)print('Gefundene Wurzel:', wurzel)
Diskrete EreignissimulationDiskrete Ereignissimulation modelliert Systeme, deren Zustandsänderungen diskrete und voneinander abgegrenzte Ereignisse sind.
Angenommen, Du modellierst ein einfaches Warteschlangensystem einer Bank mit einer Warteschlange und einem einzigen Schalter. Kunden kommen in das System nach einer exponentiell verteilten Ankunftsrate von \( \lambda = 3 \text{ Kunden pro Stunde} \) und die Bedienzeit ist exponentiell verteilt mit einem Mittelwert von \( \mu = 4 \text{ Kunden pro Stunde} \).
Lösung:
Diskrete Ereignissimulation modelliert Systeme, deren Zustandsänderungen diskrete und voneinander abgegrenzte Ereignisse sind.
Angenommen, Du modellierst ein einfaches Warteschlangensystem einer Bank mit einer Warteschlange und einem einzigen Schalter. Kunden kommen in das System nach einer exponentiell verteilten Ankunftsrate von \( \lambda = 3 \text{ Kunden pro Stunde} \) und die Bedienzeit ist exponentiell verteilt mit einem Mittelwert von \( \mu = 4 \text{ Kunden pro Stunde} \).
Wir verwenden das M/M/1-Warteschlangenmodell, bei dem die Ankünfte und Bedienzeiten exponentiell verteilt sind und es nur einen einzigen Bediener gibt.
Zusammenfassend:
Verwende die diskrete Ereignissimulation und das Konzept der Zustandsmaschine, um ein einfaches Netzwerkmodell mit drei Knoten zu entwerfen, das Datenpakete zwischen ihnen weiterleitet. Beschreibe und simulieren die folgenden Szenarien:
Lösung:
Diskrete Ereignissimulation modelliert Systeme, deren Zustandsveränderungen diskrete und voneinander abgegrenzte Ereignisse sind.
Verwende die diskrete Ereignissimulation und das Konzept der Zustandsmaschine, um ein einfaches Netzwerkmodell mit drei Knoten zu entwerfen, das Datenpakete zwischen ihnen weiterleitet.
Zustandsübergänge:
Implementierung der diskreten Ereignissimulation:
python import numpy as np np.random.seed(42) def simulate_network(n_minutes): # Initialisierung der Parameter arrival_rate = 2 service_rate_B = 3 service_rate_C = 4 # Initialisierung der Zustände arrival_time = lambda: np.random.exponential(1/arrival_rate) service_time_B = lambda: np.random.exponential(1/service_rate_B) service_time_C = lambda: np.random.exponential(1/service_rate_C) # Ereignisliste events = [(arrival_time(), 'arrival_A')] # Statistik packet_count = 0 packet_waiting_times = [] current_time = 0 while current_time < n_minutes: events.sort() next_event_time, event_type = events.pop(0) current_time = next_event_time if event_type == 'arrival_A': events.append((current_time + arrival_time(), 'arrival_A')) events.append((current_time + service_time_B(), 'transition_B')) elif event_type == 'transition_B': events.append((current_time + service_time_C(), 'transition_C')) elif event_type == 'transition_C': packet_count += 1 packet_waiting_times.append(current_time) return packet_count, np.mean(packet_waiting_times) n_minutes = 60 packet_count, avg_waiting_time = simulate_network(n_minutes) print(f'Durchschnittliche Anzahl der Pakete im System (pro Stunde): {packet_count}') print(f'Durchschnittliche Bearbeitungszeit eines Pakets (Minuten): {avg_waiting_time}')
Diese Simulation modelliert die Zustandsübergänge der Pakete im Netzwerksystem für eine simulierte Stunde (60 Minuten).
Die Ergebnisse der Simulation ergeben:
Hinweis: Die Werte X und Y hängen von der Laufzeit und der Zufälligkeit der Simulation ab. Wiederholungen der Simulation können für genauere statistische Ergebnisse hilfreich sein.
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