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Im Bild gezeigt ist eine Schaltung aus drei identischen Gliedern.
Jedes Glied besteht aus zwei unterschiedlichen Widerständen (0,2 Ohm und 100 Ohm).
Es ist kein Problem, den Gesamtwiderstand (RG) so einer Kette zu errechnen.
Kette mit drei Gliedern.jpg

Hier mal die (per selfmade Programm errechneten) Resultate für 1 bis 8 Glieder:
n = 1  RG = 100.2
n = 2  RG = 50.2499500499501
n = 3  RG = 33.6442374411736
n = 4  RG = 25.3744767191948
n = 5  RG = 20.4389492528266
n = 6  RG = 17.170381574752
n = 7  RG = 14.8541995886543
n = 8  RG = 13.1330922524854


Gesucht:

Die allgemeingültige Formel, die den Gesamtwiderstand einer solchen Kette für  "n" Glieder errechnet.
- Also eine Formel, die immer funktioniert, egal welchen Wert man für "n" einträgt.

Vermutung:

Es gibt mehr als eine Formel, die das leistet.

Es wird sicherlich eine (recht umfangreiche) Formel geben, die nichts als die beiden Widerstandswerte und die Gliederanzahl "n" enthält; wie auch immer mathematisch verknüpft.
Doch an deren Herleitung scheitere ich kläglich.  <:-(

Ich vermute aber, dass es auch eine wesentlich kompaktere Formel geben müsste, die die Eulersche Zahl "e" enthält.
Begründen kann ich diese Vermutung nur schwer, aber wenn ich die Entwicklung der Werte bei steigendem "n" betrachte, sowie den Aufbau der Kette aus immer gleichen Gliedern, dann habe ich das einfach "im Urin".
- An der Herleitung so einer Formel scheitere ich aber erst recht ...  <:-(

Ich diskutiere dieses einfach aussehende Problem mit einem ebenfalls elektrotechnisch fachkundigen Freund schon lange, doch leider ergebnislos.
Es macht mich erstens langsam verrückt, dass mir überhaupt gar keine Formelherleitung gelingt.  :-(
Aber ganz besonders gerne wüsste ich, ob meine Vermutung korrekt ist, dass auch eine vergleichsweise einfache Formel existieren müsste, die (wie auch immer) auf "e" basiert. Den mein Freund bestreitet das.

- Ob mich hier wohl einer der klügeren Köpfe, als ich es bin, diesbezüglich erhellen kann?

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2 Antworten

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Wolframalpha findet folgende Formel:

RG(n) = 1/10·(2·√2001/(((502001 + 1001·√2001)/500000)^n - 1) + √2001 + 1)

RG(n) = (4.573253846·e^(0.08943526721·n) + 4.373253845)/(e^(0.08943526721·n) - 1)

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Ich könnt mir ins Auge beißen!

Bin garnicht auf die Idee gekommen, Onkel Wolfi zu fragen !

Vielen Dank, Der_Mathecoach!

Was mir an daran spontan sehr gut gefällt, das ist das von mir vermutete Vorkommen der Eulerschen Zahl e, in einer vergleichweise kompakten Formel.

Wenn jetzt noch diese fixen Zahlenwerte, deren Zustandekommen mir unklar ist, ersetzt werden können, so dass statt dieser ominösen Fixwerte die real vorliegenden Werte für R1 und R2 in die Formel eingetragen werden können, dann wäre es perfekt!
Denn dann wäre die Formel universell, auch bei anderen Widerstandswerten anwendbar.

P.S.: Wie hast Du diese Formel ermittelt?

P.S.: Wie hast Du diese Formel ermittelt?

Über Wolframalpha.

Mit a = 0.2 und b = 100 erhält man

RG(n) = 1/2·√(a^2 + 4·a·b)·(2/(((√(a^2 + 4·a·b) - a - 2·b)/b^2)^(-n)·((- √(a^2 + 4·a·b) - a - 2·b)/b^2)^n - 1) + 1) + a/2

Nun ja, äh ...

was konkret hast Du bei WolframAlpha eingegeben, damit dort diese Formel ausgespuckt wird?

Du musst da doch eine bereits irgendwie sinnvolle Eingabe getätigt haben.
Mir ist ja leider vollkommen unklar, wie man das Problem aus dem Startposting in eine Formel quetschen kann.

Ich habe die Rekursive Vorschrift verwendet.

Hier ist die Abkopplung der Rekursionsformel von der Anwendung

https://www.mathelounge.de/713480

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Näherungsweise passt $$R_G(n)=\frac {100,55877 }{n}\Omega$$ recht gut.

Nix mit Eulernummer - Hyperbel passt am besten in die Werte.

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Natürlich bedanke ich mich sehr, für die unerwartet rasche Antwort!

Aber ehrlich gesagt, verstehe ich sie überhaupt nicht ...
1) Was ist mit den Dollarzeichen anzufangen?
2) Was bedeutet der Backslash vor dem "frac"?
3) Wofür steht das "Omega"?

Es wäre prima, die Formel in einer Form vorliegen zu haben, die ich dann in WolframAlpha, oder de.numberempire.com/equationsolver.php einfügen könnte, um das dort mal mit verschiedenen "n" durchrechnen zu lassen.

Weiterhin frage ich mich, ob es nicht auch eine exakte Formel gibt, statt einer Näherung?

Immerhin scheiterte ich an der Herleitung und es wurmt mich sehr, nicht ansatzweise zu wissen, wie man die Formel sauber herleiten kann.

Ich komme ja aus der Elektrotechnik, bin aber kein Ingenieur. Hier merke ich mal so richtig, dass es mir an theoretischer Tiefe fehlt. Dabei hatten wir in der Ausbildung und in meinem halben E-Technik-Studium Widerstandsschaltungen noch und nöcher durchgerechnet.

Die Formel ist mit LaTeX erstellt und es kann sein, dass Dein Browser die Darstellung nicht unterstützt. Meist hilft ein Reload - gelegentlich muss ein plugin dazu oder eine Sperre abgeschaltet werden.

Ich fürchte, eine sinnvolle Formel dürfte nicht vernünftig darstellbar sein. Auch meine Näherung funktioniert nur bei bestimmten Wertekombinationen halbwegs brauchbar.

Die Mühe ist auch technisch nicht besonders lohnend, da selten mehr als 3 Glieder kaskadiert werden. Dann ist es auch nicht nur mit Widerständen getan, sondern es werden Kapazitäten und /oder Induktivitäten mit dazukombiniert, was eine völlig andere Berechnungstechnik erfordert.

Sollte aber mMn nicht nur für die ersten 8 Werte passen.

blob.png

Ach so, Latex. Ja, das unterstützt mein Browser nicht. Ich kann aber mal einen anderen probieren.

Was die Anzahl der Glieder betrifft: Konkret waren es 240 Glieder ...

Das Schaltbild ist die vereinfachte Form einer Lichterkette. Da sind die Widerstände der Leitungssegmente zu je einem Einzelwiderstand mit 0,2 Ohm zusammengefasst.

Der Widerstand mit 100 Ohm ist in Wahrheit eine (idealisierte) Lampe.
Dass eine reale Lampe nicht als linearer Widerstand angesehen werden kann ist klar, es ist ja auch nur eine Vereinfachung.

Die hier vereinfachte Problemstellung entstand aus der realen Beobachtung eines Bekannten, der eine an 12V Gleichspannung betriebene Lichterkette mit 240 Lampen baute und dann sehr unzufrieden mit der Tatsache war, dass die weiter entfernten Lampen immer dunkler leuchteten.
Da sagte ich (nichts böses ahnend) locker daher, dass ich ihm "mal schnell" die Formeln stricken könnte, die den Gesamtwiderstand für beliebig lange Ketten berechnen, sowie die Spannung an der letzten Lampe ...

Nun ja, ich scheiterte kläglich!
Und das selbst bei der (hier gezeigten) Vereinfachung, die die Lampen als ideale Widerstände behandelt.

Upps, es gab eine zeitliche Überlappung meines Postings mit Deiner Tabelle.

Ich habe Deine Werte eben bis n=28 mit meinem selbstgeschriebenen Programm überprüft und für akkurat befunden! Daumen hoch!

"Sollte aber mMn nicht nur für die ersten 8 Werte passen."

Eine genauere Nährung für die vorgegebenen Werte lautet:

$$R_g(n)=\frac{100,1418109378}{n}+0,0527469542 \cdot n +0,0981992961 \cdot \ln(n)$$

Also wenn ich Deine Latex-Formel korrekt in anwendbare Form umgesetzt habe, dann sieht sie (mit n=8) so aus:

RG=100.1418109378/8+0.0527469542*8+0.0981992961*log(8)

Also für n=8 haut sie ja noch recht gut hin, aber wenn ich n=240 nehme, dann liefert sie mir:
RG = 13.6147214380246

Laut meinem selbstgeschriebenem  Programm wäre aber dieses Resultat richtig:
RG = 4.5732538535324

Mein Programm rechnet in einer Schleife mit den gleichen Formeln, wie in der Tabelle von Gast hj2166 zu sehen. Von Rundungsfehlern abgesehen, die sich bei 240-1 Durchläufen natürlich aufsummieren, rechnet mein Programm also maximal exakt.

Darüber hinaus fällt mir auf, dass Deine Formel mit dem log(n) nun ja doch die Eulersche Zahl e beinhaltet.
Hast Du diesbezüglich Deine Meinung geändert?

Es liegt in der Natur der Sache, dass Näherungsmodellierungen erstens immer nur eine Näherung sind und zweitens Verläufe in Richtung Unendlichkeit meist unkorrekt darstellen. Man kann das mit immer weiteren Korrekturgliedern versuchen zu optimieren, wird aber immer nur das erfassen können, was bereits an Punkten zur Verfügung stand und nie für Bereiche außerhalb der herangezogenen Punktwolke zuverlässige Aussagen treffen können.

Deswegen kann man weder Lottozahlen noch das Klima vorhersagen.

Wenn ich anstelle der berücksichtigten 30 Punkte 300 herannehme, kann ein Modell errechnet werden, das bis 300 und ein paar weiter noch hinreichend exakt ist.

Das ist allerdings für Deinen Fall sinnfrei, weil man schneller mit einer numerischen Lösung zu exakten Ergebnissen kommt. Hinzu kommt bei der genannten technischen Anwendung, dass die Toleranzen der Bauteile und Komponenten derlei mathematisch exakt gemeinte Berechnungen zur Makulatur werden lassen ... wie bei den Klimaprognosen übrigens.

Bin mal gespannt, wann der Ausstoß von mehr Rußpartikeln gefordert wird, um die Sonneneinstrahlung daran zu hindern, die Erde noch weiter zu erwärmen.

Schönen Sonntag noch ...

Nun ja, zugegeben, in der Praxis mag es Blödsinn sein, aber darum geht es ja auch nicht.
Ich habe bekanntlich bereits ein Programm aus wenigen Zeilen Code geschrieben, dass eine beliebige Kette exakt durchrechnet. So gesehen bräuchte ich die Formel nicht.

Es geht mir aber nicht darum, irgendwie in die Lage versetzt zu werden, so eine Kette durchrechnen zu können (denn in dieser Lage bin ich mit meinem Programm bereits!), sondern es hatte mich gewurmt, dass ich partout nicht in der Lage war, die Formel herzuleiten, die das gleiche tut, wie mein Programm.

Das schrittweise Herantasten an eine Näherungsformel, die mit irgendwelchen per Versuch und Irrtum ermittelten Korrekturwerten arbeitet, befreit mich nicht von dieser Pein, da es dabei nicht klar ist, wie die Formel zustande kommt; was deren Hintergrund ist.

Außerdem hat eine Näherungsformel den hässlichen Makel, dass man jedes Mal eine neue Formel basteln müsste, wenn sich die beiden Widerstände ändern, z. B. weil ein dickeres Kabel verwendet wird, oder andere Lampen.

Ich ging (und gehe weiterhin) davon aus, dass es möglich sein müsste, eine universelle Formel zu stricken, die mit beliebigen R1, R2 und n stets exakt rechnet.

Beispiel zur Verdeutlichung:
Wäre die Frage gewesen, wie lang die Diagonale (d) eines Quadrats mit der Seitenlänge a ist, dann würde die Antwort d=a*sqr(2) perfekt die Frage beantworten.
Wohingegen die Antwort d=a*1,4142 die Frage eben nicht befriedigend beantwortet, da der fixe Wert erstens nicht exakt ist (wenn auch für Praxiszwecke zumeist ausreichend) und zweitens die Herkunft dieser fixen Zahl völlig unklar ist.

Mir geht es also nicht darum, eine reale Lichterkette irgendwie praxistauglich durchrechnen zu können, sondern mich interessiert erstens, wie die Formel dafür sauber herzuleiten ist.

Zweitens interessiert es mich, ob es neben der "geradeaus gedacht" konstruierten Formel nicht auch eine zweite geben müsste, die ganz anders an das Problem heran geht, da sie auf der Eulerschen Zahl e basiert.
Bei einer einzelnen Lichterkette kommt kein e vor, aber wenn man viele Ketten durchrechnet, dann scheint mir ein Zusammenhang mit e zu bestehen, wenn man die Resultate anschaut.
Diese (vermutete) zweite Formel sollte aber natürlich ebenfalls nicht bloß eine Näherung sein, sondern theoretisch exakt, denn nur dann kann sie stimmen.

Meine Fragestellung ist also eher von akademischer Natur, als von realem Praxisnutzen.
Ich möchte einfach verstehen, wie die (exakte) Formel zustande kommt.

Sorry, wenn ich mein Anliegen nicht von Anfang an genügend deutlich gemacht haben sollte!
Und in jedem Fall bedanke ich mich herzlich, für Deinen regen Einsatz!

Für mich ist das Problem gewissermaßen eine technische Knobelaufgabe, an der ich kläglich scheiterte und die mir Defizite meiner theoretischen Fachkenntnis schmerzhaft offenbarte.

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