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 |
\[ y(0)=\frac{1}{2}\,. \]
(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 \( C=-2 \) |
(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 |
\[ y(0)=1. \]
(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 |
\[ y(0)=1. \]
(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 \( C=-3 \) |
(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.\( \qquad\Box \)