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=dzdx=a+byz'=\dfrac{\d z}{\d x}=a+by'     z=a+bf(z)\implies z'=a+bf(z). Dies ist eine Differentialgleichung mit getrennten Variablen: dza+bf(z)=dx\dfrac {\d z}{a+bf(z)}=\d x.

Beispiel

y=2x3y+1y'=2x-3y+1. Substitution z=2x3y+1z=2x-3y+1, z=23yz'=2-3y'     z=23z\implies z'=2-3z.
b3.png
dz23z=dx\int\limits\dfrac {\d z} {2-3z}=\int\limits \d x     13ln23z=x+C0\implies -\dfrac 1 3 \ln|2-3z|=x+C_0     ln23z=3x+C1\implies \ln|2-3z|=-3x+C_1     23z=e3xC2\implies 2-3z=\e^{-3x}\cdot C_2 (C2>0C_2>0)     23(2x3y+1)\implies 2-3(2x-3y+1) =26x+9y3=2-6x+9y-3 =e3xC2=\e^{-3x}\cdot C_2     9y=e3xC2+6x+1\implies 9y=\e^{-3x}\cdot C_2+6x+1     y=e3xC29+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 e3xC2>0\e^{-3x}\cdot C_2>0 ist, ist sie in der Formel nicht enthalten. Wir erhalten sie jedoch als asymptotischen Grenzfall für C20C_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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