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".
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.
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.
Definition der sep. DGL: Vor- und Nachteile der Definition 1 Anwendungsgebiet: Die finition wird meist von Buchautoren benutzt, die Verfechter der riante des Lsungsverfahrens sind (das Lsungsverfahren und seine Varianten werden im nchsten Kapitel erklrt). 2 Nachteil: Dies ist die auf der Vorseite erwhnte separierte Form. Ein Anfnger sieht jedoch "auf den ersten Blick" nicht, dass es sich um eine Differentialgleichung handelt, denn es kommt kein Differentialquotient (y' bzw. dy/dx) vor, sondern nur einzelne Differentiale (dy und dx). Man mu die Gleichung erst durch dx und g(y) dividieren, um zu erkennen, dass dies wirklich eine Differentialgleichung ist. Man erhlt dann: Man sieht "auf den ersten Blick" nicht, welches die unabhngige und welches die abhngige Variable ist. Dies gilt besonders, wenn die Variablen nicht x und y heien, sondern Namen wie t und s haben. Wird ebenfalls von Buchautoren benutzt, die Verfechter der Wegen der beiden Nachteile wird diese Definition jedoch wenig benutzt.
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