diff --git a/Notes/Semester 2/AN2 - Analysis 2/Zusammenfassung SEP.md b/Notes/Semester 2/AN2 - Analysis 2/Zusammenfassung SEP.md index 1288f25..b7b2f70 100644 --- a/Notes/Semester 2/AN2 - Analysis 2/Zusammenfassung SEP.md +++ b/Notes/Semester 2/AN2 - Analysis 2/Zusammenfassung SEP.md @@ -460,6 +460,97 @@ $$y' = f(y)$$ #### Lösungsweg Gleich wie [separierbare Differentialgleichungen](#separierbare-differentialgleichungen). +### Lineare Differentialgleichung 1. Ordnung +Eine Differentialgleichung 1. Ordnung ist _lineare_, wenn sie sich in folgende Form bringen lässt: +$$y' = f(x) \cdot y + g(x)$$ + +$g(x)$ wird hierbei als _Störglied_ oder _Störfunktion_ bezeichnet. + +Solche Differentialgleichungen nennen sich _"linear"_, weil sowohl $y$ als auch $y'$ keinen Exponenten haben. Es spielt es keine Rolle, ob $x$ in $f(x)$ oder $g(x)$ eine Potenz hat. + +Eine lineare Differentialgleichung 1. Ordnung ist dann _homogen_, wenn $g(x)$ $0$ entspricht. In allen anderen Fällen ist die Differentialgleichung _inhomogen_. + +#### Lösungswege +##### Lösung durch Variabel-Separierung +Beispiel anhand folgender Formel: +$$y' = \frac{2y}{x} + x^3$$ + +**1. Komponenten der linearen Differentialgleichung bestimmen:** +$$\begin{align*} + f(x) &= \frac{2}{x} \\ + g(x) &= x^3 +\end{align*}$$ + +**2. Homogenen Anteil berechnen:** + +In diesem Schritt wird die Differentialgleichung ***ohne $g(x)$*** berechnet. + +Dies funktioniert mit Hilfe der Variabel-Trennung nach folgender Formel: + +$$y_h = C \cdot e^{\int{f(x)}dx}$$ + +Für das Beispiel ergibt das folgendes: + +$$y_h = C \cdot e^{\int{\frac{2}{x}}} = C \cdot e^{2 \cdot \ln(|x|)} = C \cdot e^{\ln(|x|^2)} = C \cdot e^{\ln(x^2)} = C \cdot x^2$$ + +**3. Partikulären Anteil berechnen:** + +Mit Hilfe der folgenden Formel kann der Partikuläre Anteil berechnet werden: + +$$y_P = y_h \cdot \int{\frac{g(x)}{y_h}}dx$$ + +Für das Beispiel ergibt das wiederum: + +$$y_P = C \cdot x^2 \cdot \int{\frac{x^3}{C \cdot x^2}}dx = x^2 \cdot \int{x} = x^2 \cdot \frac{x^2}{2} = \frac{x^4}{2}$$ + +**4. Homogenen und Partikulären Anteil addieren:** + +$$y = y_h + y_P = C \cdot x^2 + \frac{x^4}{2}$$ + +##### Lösung durch Variation der Konstanten +Eine weitere Möglichkeit ist das Verfahren "Variation der Konstanten". + +Folgend ein Beispiel anhand folgender Differentialgleichung: + +$$y' = \cos(x) - \frac{y}{x}\text{ für x > 0}$$ + +**1. Komponenten bestimmen:** + +$$\begin{align*} + f(x) &= -\frac{1}{x} \\ + g(x) &= \cos(x) \\ + F(x) &= -\ln(x)\text{ für x > 0} +\end{align*}$$ + +**2. Homogene Gleichung berechnen:** + +Mit Hilfe folgender Formel lässt sich der homogene Anteil berechnen: + +$$y_0 = C \cdot e^{F(x)}$$ + +Im aktuellen Beispiel ergibt das folgendes: + +$$y_0 = C \cdot e^{F(x)} = C \cdot e^{-\ln(x)} = \frac{C}{x}$$ + +**3. Konstante $C$ ersetzen** + +Im nächsten Schritt wird die Konstante $C$ im zuvor berechneten homogenen Anteil durch folgende Formel ersetzt: + +$$K(x) = \int{g(x) \cdot e^{-F(x)}}dx$$ + +Für das Beispiel ergibt das folgendes: + +$$\begin{align*} +\frac{K(x)}{x} \\ + &= \frac{1}{x} \cdot \int{g(x) \cdot e^{-F(x)}}dx \\ + &= \frac{1}{x} \cdot \int{\cos(x) \cdot e^{\ln(x)}}dx \\ + &= \frac{1}{x} \cdot \int{\cos(x) \cdot x}dx \\ + &= \frac{1}{x} \cdot (\sin(x) \cdot x + \cos(x)) \\ + &= \frac{\sin(x) \cdot x + \cos(x)}{x} +\end{align*}$$ + +https://tu-freiberg.de/sites/default/files/media/fakultaet-fuer-mathematik-und-informatik-fakultaet-1-9277/lorz/grundintegrale.pdf + [^Derivation]: [Ableitungen][Derivation] [Derivation]: ../.../../../Semester%201/AN1%20-%20Analysis%201/Ableitungen.md \ No newline at end of file