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) hilft ein festes Rezept: der integrierende Faktor (integrating factor). Damit kann man viele DGL erster Ordnung lösen.
Bringe die Gleichung zuerst auf die Normalform
y′+g(x)y=f(x)
mit stetigen Funktionen g und f. Danach arbeitest du immer dieselben vier Schritte ab:
Warum Schritt 2 funktioniert: nach der Produktregel ist
dxd(eGy)=eGy′+eGG′y=eG(y′+gy),
weil G′=g. Multiplikation mit eG macht die linke Seite also zu einer einzigen Ableitung.
Das Rezept ist kurz: G=∫g, mit eG multiplizieren und die Produktregel erkennen, integrieren (plus C), mit e−G zurückmultiplizieren. Trennung der Variablen greift hier nicht, weil x−y kein Produkt g(x)h(y) ist.
Löse die Differentialgleichung y′−2y=e3x mit dem integrierenden Faktor.
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Hier ist g(x)=−2. Rechne G(x)=∫−2dx=−2x und folge den vier Schritten.
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Normalform: y′+(−2)y=e3x, also g(x)=−2 und f(x)=e3x.
Schritt 1: G(x)=∫−2dx=−2x.
Schritt 2: Multiplikation mit eG(x)=e−2x liefert
e−2xy′−2e−2xy=ex,
also
dxd(e−2xy)=ex.
Schritt 3: Integration (plus C):
e−2xy=ex+C.
Schritt 4: Multiplikation mit e2x:
y(x)=e3x+Ce2x.
Löse die Differentialgleichung y′+x1y=x für x>0 mit dem integrierenden Faktor.
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Hier ist g(x)=x1. Für x>0 gilt G(x)=lnx, also eG(x)=x.
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Normalform: y′+x1y=x, also g(x)=x1 und f(x)=x.
Schritt 1: G(x)=∫x1dx=lnx (für x>0).
Schritt 2: Multiplikation mit eG(x)=x liefert
xy′+y=x2,
also
dxd(xy)=x2.
Schritt 3: Integration (plus C):
xy=3x3+C.
Schritt 4: Multiplikation mit e−G(x)=x1:
y(x)=3x2+xC.
Löse das Anfangswertproblem y′+2y=4x mit y(0)=1 über die vier Schritte.
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Bestimme zuerst die allgemeine Lösung mit G(x)=2x, danach fixiere C durch y(0)=1.
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Normalform: y′+2y=4x, also g(x)=2 und f(x)=4x.
Schritt 1: G(x)=∫2dx=2x.
Schritt 2: Multiplikation mit e2x liefert
dxd(e2xy)=4xe2x.
Schritt 3: Rechts partielle Integration mit u=4x, dv=e2xdx:
∫4xe2xdx=2xe2x−∫2e2xdx=2xe2x−e2x+C.
Also
e2xy=e2x(2x−1)+C.
Schritt 4: Multiplikation mit e−2x:
y(x)=2x−1+Ce−2x.