Differentialgleichung der Form y'=f(ax+by+c)

Differentialgleichungen der Gestalt y′=f(ax+by+c)y'=f(ax+by+c) lösen wir mittels der Substitution z=ax+by+cz=ax+by+c. Dann ist z′=d⁡zd⁡x=a+by′z'=\dfrac{\d z}{\d x}=a+by'   ⟹  z′=a+bf(z)\implies z'=a+bf(z). Dies ist eine Differentialgleichung mit getrennten Variablen: d⁡za+bf(z)=d⁡x\dfrac {\d z}{a+bf(z)}=\d x.

Beispiel

y′=2x−3y+1y'=2x-3y+1. Substitution z=2x−3y+1z=2x-3y+1, z′=2−3y′z'=2-3y'   ⟹  z′=2−3z\implies z'=2-3z.
b3.png
∫d⁡z2−3z=∫d⁡x\int\limits\dfrac {\d z} {2-3z}=\int\limits \d x   ⟹  −13ln⁡∣2−3z∣=x+C0\implies -\dfrac 1 3 \ln|2-3z|=x+C_0   ⟹  ln⁡∣2−3z∣=−3x+C1\implies \ln|2-3z|=-3x+C_1   ⟹  2−3z=e⁡−3x⋅C2\implies 2-3z=\e^{-3x}\cdot C_2 (C2>0C_2>0)   ⟹  2−3(2x−3y+1)\implies 2-3(2x-3y+1) =2−6x+9y−3=2-6x+9y-3 =e⁡−3x⋅C2=\e^{-3x}\cdot C_2   ⟹  9y=e⁡−3x⋅C2+6x+1\implies 9y=\e^{-3x}\cdot C_2+6x+1   ⟹  y=e⁡−3x⋅C29+23x+19\implies y=\dfrac {\e^{-3x}\cdot C_2} 9+\dfrac 2 3 x+\dfrac 1 9
Mit einer Probe überzeugen wir uns, schnell, dass wir eine Lösung gefunden haben. Leider ist uns die Lösung y=23x+19y=\dfrac 2 3 x+\dfrac 1 9 (rote Gerade in der Grafik) verloren gegangen. Da stets C2>0C_2>0 und auch e⁡−3x⋅C2>0\e^{-3x}\cdot C_2>0 ist, ist sie in der Formel nicht enthalten. Wir erhalten sie jedoch als asymptotischen Grenzfall für C2→0C_2\to 0.
 
 

So seltsam es auch klingen mag, die Stärke der Mathematik beruht auf dem Vermeiden jeder unnötigen Annahme und auf ihrer großartigen Einsparung an Denkarbeit.

Ernst Mach

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