Lineare DGLs erster Ordnung

Ein Trick verwandelt die linke Seite in eine einzige Ableitung.

Nicht jede lineare DGL hat konstante Koeffizienten wie in Woche 11. Bei Gleichungen der Form y+g(x)y=f(x)y' + g(x)\, y = f(x) hilft ein festes Rezept: der integrierende Faktor (integrating factor). Damit kann man viele DGL erster Ordnung lösen.

Problemstellung

Löse die Differentialgleichung y+y=x.y' + y = x.

Gesucht ist die allgemeine Lösung y=y(x)y = y(x).

Lösungsansatz

Bringe die Gleichung zuerst auf die Normalform y+g(x)y=f(x)y' + g(x)\, y = f(x) mit stetigen Funktionen gg und ff. Danach arbeitest du immer dieselben vier Schritte ab:

Warum Schritt 2 funktioniert: nach der Produktregel ist ddx ⁣(eGy)=eGy+eGGy=eG(y+gy),\frac{d}{dx}\!\left(e^{G} y\right) = e^{G} y' + e^{G} G' y = e^{G}\,(y' + g y), weil G=gG' = g. Multiplikation mit eGe^{G} macht die linke Seite also zu einer einzigen Ableitung.

Schritt-für-Schritt Lösung

Unsere Gleichung steht schon in Normalform mit g(x)=1g(x) = 1 und f(x)=xf(x) = x.

Schritt 1: Wir berechnen G(x)=1dx=x.G(x) = \int\limits 1\, dx = x.

Schritt 2: Multiplikation mit eG(x)=exe^{G(x)} = e^{x} liefert exy+exy=xex.e^{x} y' + e^{x} y = x e^{x}. Die linke Seite erkennen wir als Ableitung: ddx ⁣(exy)=xex.\frac{d}{dx}\!\left(e^{x} y\right) = x e^{x}.

Schritt 3: Integration beider Seiten. Rechts brauchen wir partielle Integration mit u=xu = x, dv=exdxdv = e^{x}\, dx: xexdx=xexexdx=xexex+C.\int\limits x e^{x}\, dx = x e^{x} - \int\limits e^{x}\, dx = x e^{x} - e^{x} + C. Also exy=ex(x1)+C.e^{x} y = e^{x}(x - 1) + C.

Schritt 4: Multiplikation mit eG(x)=exe^{-G(x)} = e^{-x} ergibt die allgemeine Lösung y(x)=x1+Cex.y(x) = x - 1 + C e^{-x}.

Fazit

Das Rezept ist kurz: G=gG = \int\limits g, mit eGe^{G} multiplizieren und die Produktregel erkennen, integrieren (plus CC), mit eGe^{-G} zurückmultiplizieren. Trennung der Variablen greift hier nicht, weil xyx - y kein Produkt g(x)h(y)g(x)\, h(y) ist.

Weitere Übungen

  1. Löse die Differentialgleichung y2y=e3xy' - 2y = e^{3x} mit dem integrierenden Faktor.

    Tipp anzeigen Hier ist g(x)=2g(x) = -2. Rechne G(x)=2dx=2xG(x) = \int\limits -2\, dx = -2x und folge den vier Schritten.
    Lösung anzeigen Normalform: y+(2)y=e3xy' + (-2)\, y = e^{3x}, also g(x)=2g(x) = -2 und f(x)=e3xf(x) = e^{3x}.

    Schritt 1: G(x)=2dx=2xG(x) = \int\limits -2\, dx = -2x.

    Schritt 2: Multiplikation mit eG(x)=e2xe^{G(x)} = e^{-2x} liefert e2xy2e2xy=ex,e^{-2x} y' - 2 e^{-2x} y = e^{x}, also ddx ⁣(e2xy)=ex.\frac{d}{dx}\!\left(e^{-2x} y\right) = e^{x}.

    Schritt 3: Integration (plus CC): e2xy=ex+C.e^{-2x} y = e^{x} + C.

    Schritt 4: Multiplikation mit e2xe^{2x}: y(x)=e3x+Ce2x.y(x) = e^{3x} + C e^{2x}.

  2. Löse die Differentialgleichung y+1xy=xy' + \frac{1}{x} y = x für x>0x > 0 mit dem integrierenden Faktor.

    Tipp anzeigen Hier ist g(x)=1xg(x) = \frac{1}{x}. Für x>0x > 0 gilt G(x)=lnxG(x) = \ln x, also eG(x)=xe^{G(x)} = x.
    Lösung anzeigen Normalform: y+1xy=xy' + \frac{1}{x}\, y = x, also g(x)=1xg(x) = \frac{1}{x} und f(x)=xf(x) = x.

    Schritt 1: G(x)=1xdx=lnxG(x) = \int\limits \frac{1}{x}\, dx = \ln x (für x>0x > 0).

    Schritt 2: Multiplikation mit eG(x)=xe^{G(x)} = x liefert xy+y=x2,x y' + y = x^2, also ddx ⁣(xy)=x2.\frac{d}{dx}\!\left(x y\right) = x^2.

    Schritt 3: Integration (plus CC): xy=x33+C.x y = \frac{x^3}{3} + C.

    Schritt 4: Multiplikation mit eG(x)=1xe^{-G(x)} = \frac{1}{x}: y(x)=x23+Cx.y(x) = \frac{x^2}{3} + \frac{C}{x}.

  3. Löse das Anfangswertproblem y+2y=4xy' + 2y = 4x mit y(0)=1y(0) = 1 über die vier Schritte.

    Tipp anzeigen Bestimme zuerst die allgemeine Lösung mit G(x)=2xG(x) = 2x, danach fixiere CC durch y(0)=1y(0) = 1.
    Lösung anzeigen Normalform: y+2y=4xy' + 2y = 4x, also g(x)=2g(x) = 2 und f(x)=4xf(x) = 4x.

    Schritt 1: G(x)=2dx=2xG(x) = \int\limits 2\, dx = 2x.

    Schritt 2: Multiplikation mit e2xe^{2x} liefert ddx ⁣(e2xy)=4xe2x.\frac{d}{dx}\!\left(e^{2x} y\right) = 4x e^{2x}.

    Schritt 3: Rechts partielle Integration mit u=4xu = 4x, dv=e2xdxdv = e^{2x}\, dx: 4xe2xdx=2xe2x2e2xdx=2xe2xe2x+C.\int\limits 4x e^{2x}\, dx = 2x e^{2x} - \int\limits 2 e^{2x}\, dx = 2x e^{2x} - e^{2x} + C. Also e2xy=e2x(2x1)+C.e^{2x} y = e^{2x}(2x - 1) + C.

    Schritt 4: Multiplikation mit e2xe^{-2x}: y(x)=2x1+Ce2x.y(x) = 2x - 1 + C e^{-2x}.

    Anfangsbedingung y(0)=1y(0) = 1: 1=1+C    C=2.1 = -1 + C \implies C = 2.

    Damit ist die Lösung y(x)=2x1+2e2x.y(x) = 2x - 1 + 2 e^{-2x}.