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Proportionale Differentialgleichung Erster Ordnung lösen [1] durch Trennung der Veränderlichen. [2] Lineare Differentialgleichung lösen [3] durch Trennung der Veränderlichen. [2] Die Methode der Trennung der Veränderlichen, Trennung der Variablen, Separationsmethode oder Separation der Variablen ist ein Verfahren aus der Theorie der gewöhnlichen Differentialgleichungen. Mit ihr lassen sich separierbare Differentialgleichungen erster Ordnung lösen. Das sind Differentialgleichungen, bei denen die erste Ableitung ein Produkt aus einer nur von und einer nur von abhängigen Funktion ist: Der Begriff "Trennung der Veränderlichen" geht auf Johann I Bernoulli zurück, der ihn 1694 in einem Brief an Gottfried Wilhelm Leibniz verwendete. [4] Ein ähnliches Verfahren für bestimmte partielle Differentialgleichungen ist der Separationsansatz. Lösung des Anfangswertproblems [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten] Wir untersuchen das Anfangswertproblem für stetige (reelle) Funktionen und. Falls, so wird dieses Anfangswertproblem durch die konstante Funktion gelöst.
Betrachten wir den Fall, dass NUR die DGL gegeben ist (also KEINE Funktion). Den einfachsten Fall einer DGL hat man, wenn die DGL homogen und linear ist (also die Form hat: a·y'+b·y=0, wobei a und b durchaus von x abhängen können). Nun schreibt man y' um zu: "dy/dx", multipliziert die gesamte Gleichung mit "dx" und versucht nun auch im Folgenden, alle "x" auf eine Seite der Gleichung zu bringen, alle "y" auf die andere Seite der Gleichung. Im zweiten Schritt integriert man beide Seiten der Gleichung (die Integrationskonstante "+c" nicht vergessen! ). Im Normalfall kann man nun nach y auflösen. Falls eine Anfangsbedingung gegeben ist (ein "x"-Wert und ein zugehöriger "y"-Wert) kann man diese in die Funktion einsetzen und erhält die Integrationskonstante "c" bestimmen. Dieses Verfahren nennt sich "Trennung der Variablen" oder "Variablentrennung".
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:
Benutze dazu auf beiden Seiten die Exponentialfunktion \(\mathrm{e}^{... }\): Integrierte DGL etwas umstellen Anker zu dieser Formel Die Summe im Exponentialterm auf der linken Seite kannst du in ein Produkt aufspalten, wobei \(\mathrm{e}^{\ln(y)}\) einfach \(y\) ist: Integrierte DGL weiter umstellen Anker zu dieser Formel Bringe nur noch die Konstante \(\mathrm{e}^{A}\) auf die rechte Seite: Konstante auf die andere Seite bringen Anker zu dieser Formel Benenne \( \frac{1}{\mathrm{e}^{A}} \) in eine neue Konstante \(C\) um. Als Ergebnis bekommst du eine allgemeine Lösungsformel, die du immer benutzen kannst, um homogene lineare Differentialgleichungen zu lösen. Du musst nicht unbedingt die Trennung der Variablen immer wieder anwenden, sondern kannst direkt die Lösungsformel benutzen: Lösungsformel für gewöhnliche homogene DGL 1. Ordnung Anker zu dieser Formel Beispiel: Zerfallsgesetz-DGL mit der TdV-Methode lösen Schauen wir uns die DGL für das Zerfallsgesetz an: Homogene DGL erster Ordnung für das Zerfallsgesetz Anker zu dieser Formel Die gesuchte Funktion \(y\) ist in diesem Fall die Anzahl noch nicht zerfallener Atomkerne \(N\) und die Variable \(x\) ist in diesem Fall die Zeit \(t\).
Der einzige Unterschied: Wir sind mathematisch korrekt vorgegangen. Aus diesem Grund benutzen viele Professoren und Buchautoren lieber dieses Verfahren.
Das heißt, zum Zeitpunkt \(t = 0 \) gab es 1000 Atomkerne. Einsetzen ergibt: Anfangsbedingung in die allgemeine Lösung einsetzen Anker zu dieser Formel Also muss \( C = 1000 \) sein: Spezielle Lösung der Zerfallsgesetz-DGL Anker zu dieser Formel Jetzt kannst du beliebige Zeit einsetzen und herausfinden, wie viele nicht zerfallene Atomkerne noch da sind. Nun weißt du, wie einfache homogene lineare Differentialgleichungen 1. Ordnung gelöst werden können. In der nächsten Lektion schauen wir uns an, wie inhomogene DGL mit der "Variation der Konstanten" geknackt werden können.
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.