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Gewöhnliche DGL Lösungsansätze Übersicht Separierbare DGL 1. Ordnung Form: Lösung mithilfe Trennung der Variablen: Durch Substitution lösbare DGL Form: mit Lösung durch Substitution und Trennung der Variablen: Substituiere:, somit ist Dann ist Durch Trennung der Variablen erhältst du die Lösung von. Die Rücksubstitution liefert dir dann Lineare DGLs Die allgemeine Lösung einer inhomogenen linearen DGL setzt sich aus 1. der allgemeinen Lösung der zugehörigen homogenen DGL 2. der partikulären Lösung der inhomogenen DGL zusammen: Homogene lineare DGL 1. Ordnung Form: Die allgemeine Lösung lautet:, wobei und. Inhomogene lineare DGL 1. Ordnung Form: Lösung durch Variation der Konstanten:, wobei und Inhomogene lineare DGL 1. Ordnung mit konstanten Koeffizienten Form:, wobei Allgemeine Lösung der homogenen DGL: Partikuläre Lösung der inhomogenen DGL: Wenn von der Form: Ansatz: Wenn von der Form: und Ansatz: Die allgemeine Lösung ist dann:
0. Zerlegung der Veränderlichen Es handelt sich um eine Funktion der Form: $y' = f(x) \cdot g(y)$ mit $ f(x) = -2x $ und $ g(y) = y^2-y $ 1. Bestimmung der Nullstellen von g(y): $ y^2 - y = y(y-1) = 0 \rightarrow y_1= 0, \ y_2 = 1 $ Diese konstanten Funktionen $ y_1 = 0 $ und $ y_2 = 1 $ sind [partikuläre] Lösungen. Trennung der Veränderlichen: Die Trennung der Veränderlichen erfolgt durch: $\frac{dy}{gy} = f(x) \; dx$ Einsetzen von $g(y) = y(y - 1)$ und $f(x) = -2x$ ergibt: $\frac{dy}{y(y - 1)} = -2x \; dx $ 3. Integralschreibweise Beide Seiten der obigen Gleichung werden mit einen Integral versehen $\int \frac{dy}{y(y-1)} = \int -2x \ dx $ Umstellen: $\int \frac{1}{y(y-1)} \; dy = \int -2x \ dx $ 2. Auflösen der Integrale $\int \frac{dy}{y(y-1)} = ln|\frac{y-1}{y}|$ 3. Vereinfachen $ ln |\frac{y-1}{y}| = - x^2 + k $ [ in $k$ ist die Integrationskonstante der linken Seite bereits mit enthalten! ] $ |\frac{y-1}{y}| = e^{-x^2 + k} =e^k e^{-x^2} $ $ \frac{y-1}{y} = c \cdot e^{-x^2}$, [ $c$ wird anstelle der Konstanten $e^k$ verwendet mit $ c \not= 0$] 4.
Eine Differentialgleichung, welche die Form Methode Hier klicken zum Ausklappen $ y' = f(x) \cdot g(y) $ Trennung der Veränderlichen T. d. V besitzt, nennt man Differentialgleichung mit getrennten Variablen. Um hieraus Lösungen zu erhalten, bedient man sich der Methode der " Trennung der Veränderlichen ": Methode Hier klicken zum Ausklappen $\ y' = \frac{dy}{dx} = f(x)g(y) \rightarrow \frac{dy}{g(y)} = f(x) dx \rightarrow \int \frac{dy}{g(y)} = \int f(x) dx $. Merke Hier klicken zum Ausklappen Aus dieser Beziehung ergeben sich 2 Aussagen bezüglich der Lösungsgesamtheit. 1. In der Lösungsgesamtheit befinden sich alle Geraden $ y = y_0 $, für die $g(y_0) = 0 $, also $ y_0 $ eine Nullstelle der Funktion $ g(y) $ ist. 2. Zudem befinden sich in der Lösungsgesamtheit alle Funktionen $ y = y(x) $, die sich aus $ \int \frac{dy}{g(y)} = \int f(x) \; dx$, $ g(y) \not= 0 $ in impliziter Form ergeben. Anwendungsbeispiel: TDV Beispiel Hier klicken zum Ausklappen Lösen Sie die Differentialgleichung $y' = -2x(y^2 - y) $ mit Hilfe der "Trennung der Veränderlichen"-Methode!
2. Nun bleibt zu zeigen, dass für den Fall das einzige Element von – die Funktion – eine Lösung des Anfangswertproblems ist, also gilt: Nach der Kettenregel, der Umkehrregel und dem Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung gilt für alle. Natürlich ist. Bemerkung [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] und seien Teilmengen der reellen Zahlen, und stetige Funktionen, sei ein innerer Punkt von, ein innerer Punkt von und. Dann gilt: Ist, dann gibt es wegen der Stetigkeit von ein umfassendes offenes Intervall mit für alle. Weil auf stetig ist, ist nach dem Zwischenwertsatz ein Intervall und es gilt. Deswegen gibt es ein umfassendes offenes Intervall, sodass die Abbildung für alle Werte in hat. Das heißt, die Restriktionen und erfüllen die Bedingungen des oben formulierten Satzes. Beispiel [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Gesucht sei die Lösung des Anfangswertproblems. Hierbei handelt es sich um eine Differentialgleichung mit getrennten Variablen:. Setze also. Die Umkehrfunktion lautet.
Hierzu eignet sich die Leibniz-Notation der DGL am besten: Form einer homogenen lineare DGL in Leibniz-Notation Anker zu dieser Formel Bringe \(K(x)\, y\) auf die rechte Seite: Homogenen lineare DGL umgeformt Anker zu dieser Formel Multipliziere die Gleichung mit \( \text{d}x \) und dann teile die Gleichung durch \(y\). Auf diese Weise hast du auf der linken Seite nur \(y\)-Abhängigkeit stehen und auf der rechten Seiten nur die \(x\)-Abhängigkeit: Trenne die Variablen y und x in der DGL Anker zu dieser Formel Jetzt kannst du auf der linken Seite über \(y\) integrieren und auf der rechten Seite über \(x\): Auf beiden Seiten der DGL Integration anwenden Anker zu dieser Formel Die Integration von \( 1 / y \) ergibt den natürlichen Logarithmus von \(y\). Das musst du am besten auswendig wissen, weil du so einem Integral oft begegnen wirst. Vergiss auch nicht die Integrationskonstante! Nennen wir sie zum Beispiel \(A\): Integral auf der linken Seite der DGL berechnen Anker zu dieser Formel Jetzt musst du nur noch nach der gesuchten Funktion \(y\) umstellen.
Partielle DGL Beispiel: eindimensionale Transportgleichung Zu guter Letzt noch ein Beispiel: die eindimensionale Transportgleichung Partielle Differentialgleichung Beispiel Diese Gleichung beschreibt den Transport eines Stoffes mit Konzentration c(x, t) in einer inkompressiblen Flüssigkeit mit Strömungsgeschwindigkeit v(x, t). x gibt den Ort und t die Zeit an. Du hast partielle Differentialgleichungen kennengelernt und das Beispiel der Transportgleichung gesehen.
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