Hausaufgabenblatt 10


 

 

Aufgabe HA 44

 

Wir betrachten die Differentialgleichung \[ y'=xe^{x^2}+\sinh x,\quad x\in\mathbb R. \]

(i) Bestimmen Sie alle Lösungen dieser Gleichung.
(ii) Skizzieren Sie ausgewählte Lösungskurven.
(iii) Bestimmen Sie die (einzige) Lösung dieser Gleichung zum Anfangswert

\[ y(0)=\frac{1}{2}\,. \]

 

Lösung

 

(i) Integration liefert

\[ \begin{array}{lll} y\!\!\! & = & \!\!\!\displaystyle \int\limits_\xi^x(te^{t^2}+\sinh t)\,dt+\widetilde C \\[0.6ex] & = & \!\!\!\displaystyle \frac{1}{2}\,e^{x^2}-\frac{1}{2}\,e^{\xi^2}+\cosh x-\cosh\xi+\widetilde C \\[0.6ex] & = & \!\!\!\displaystyle \frac{1}{2}\,e^{x^2}+\cosh x+C \end{array} \]

  mit \( C\in\mathbb R. \) Das sind alle Lösungen der Gleichung (siehe Nachweis in der Vorlesung).
(ii) Skizzen für die Fälle \( C=0, \) \( C=-1 \) und \( C=-2 \)
  Bild HA 44
(iii) Zum Anfangswert \( y(0)=\frac{1}{2} \) erhalten wir die eindeutige Lösung

\[ y=\frac{1}{2}\,e^{x^2}+\cosh x-\frac{1}{2}\,. \] Damit ist alles gezeigt.\( \qquad\Box \)

 

 

Aufgabe HA 45

 

Zu reellem \( \lambda\in\mathbb R\setminus\{0\} \) betrachten wir die Differentialgleichung \[ y'=\lambda y. \]

(i) Bestimmen Sie alle Lösungen dieser Gleichung vermittels der Methode der Trennung der Variablen.
(ii) Beweisen Sie, dass damit tatsächlich alle Lösungen der Gleichungen bestimmt sind. Werten Sie dazu das Produkt \( \Phi(x)e^{-\lambda x} \) aus mit einer beliebigen Lösung \( \Phi(x). \)
(iii) Bestimmen Sie die einzige Lösung dieser Gleichung zum Anfangswert

\[ y(0)=1. \]

 

Lösung

 

(i) Zunächst ist \( y=0 \) eine Lösung. Trennung der Variablen liefert im Fall \( y\not=0 \) weiter

\[ x(y)=\frac{1}{\lambda}\,\int\frac{dy}{y}=\frac{1}{\lambda}\,\ln|y|-\widetilde C. \]

  Das stellen wir um und erhalten nach Auflösen des Vorzeichens

\[ y(x)=Ce^{\lambda x}\,,\quad C\in\mathbb R. \]

(ii) Das sind aber auch alle Lösungen. Sei nämlich \( \Phi(x) \) eine beliebige Lösung mit \( \Phi'=\lambda\Phi. \) Dann folgt

\[ (\Phi e^{-\lambda x})' =\Phi'e^{-\lambda x}-\lambda\Phi e^{-\lambda x} =(\Phi'-\lambda\Phi)e^{-\lambda x} =(\lambda\Phi-\lambda\Phi)e^{-\lambda x} =0, \]

  d.h. es muss sein

\[ \Phi(x)e^{-\lambda x}=\text{Const} \quad\text{bzw.}\quad \Phi(x)=\text{Const}\cdot e^{\lambda x}\,. \]

  Alle Lösungen haben also die angegebene Gestalt.
(iii) Es ist \( 1=y(0)=Ce^0=C, \) d.h. die einzige Lösung zum Anfangswert \( y(0)=1 \) lautet

\[ y(x)=e^x\,. \] Damit ist alles gezeigt.\( \qquad\Box \)

 

 

Aufgabe PA 46

 

Wir betrachten die Differentialgleichung \[ y'=e^y\sin x. \]

(i) Bestimmen Sie alle Lösungen dieser Gleichung vermittels der Methode der Trennung der Variablen.
(ii) Beweisen Sie, dass damit tatsächlich alle Lösungen bestimmt sind.
(iii) Skizzieren Sie ausgewählte Lösungskurven.
(iv) Bestimmen Sie die (einzige) Lösung dieser Gleichung zum Anfangswert

\[ y(0)=1. \]

 

Lösung

 

(i) Mittels Trennung der Variablen erhalten wir

\[ -e^{-y}=\int e^{-y}\,dy=\int\frac{dy}{y}=\int\sin x\,dx=-\cos x+C \]

  und damit

\[ e^{-y}=\cos x-C \quad\text{bzw.}\quad y(x)=-\ln(\cos x-C),\quad C\in\mathbb R. \]

  Beachte, dass hierin \( \cos x-C\gt 0 \) erfüllt sein muss.
(ii) Das sind auch alle Lösungen, denn sind \( y \) eine solche Lösung und \( z \) irgendeine andere Lösung, so haben wir

\[ \frac{d}{dx}\,(e^{-y}-e^{-z}) =-y'e^{-y}+z'e^{-z} =-\sin x+\sin x =0, \]

  d.h. es ist \( e^{-y}-e^{-z}=c \) bzw. \( e^{-z}=e^{-y}-c \) mit \( c\in\mathbb R \) und damit

\[ z=-\ln(e^{-y}-c)=-\ln(\cos x-C-c)=-\ln(\cos x-\widetilde C),\quad\widetilde C\in\mathbb R. \]

  Also ist \( z \) auch eine Lösung, wie oben bestimmt.
(iii) Skizzen für die Fälle \( C=0, \) \( C=-1, \) \( C=-2 \) und \( C=-3 \)
  Bild HA 46
(iv) Für den Anfangswert \( y(0)=1 \) ist genauer

\[ 1=y(0)=-\ln(\cos 0-C)=-\ln(1-C) \quad\text{und damit}\quad C=1-e^{-1}\,. \]

  Die einzige, zu diesem Anfangswert gehörige Lösung lautet

\[ y(x)=-\ln(\cos x-1+e^{-1}). \] Damit ist alles gezeigt.\( \qquad\Box \)