Trennung der Variablen

Wenn sich x und y sauber auf zwei Seiten sortieren lassen.

In Woche 11 hast du lineare DGLs mit konstanten Koeffizienten gelöst. Hier geht es um eine breitere Klasse: Gleichungen der Form y′=g(x)h(y)y' = g(x)h(y), bei denen sich die Variablen trennen lassen. Zum Integrieren brauchst du die Werkzeuge aus Woche 12.

Problemstellung

Löse die Differentialgleichung (1+y2) x=y′.(1 + y^2)\, x = y'.

Gesucht ist also eine differenzierbare Funktion y=y(x)y = y(x), die diese Gleichung erfüllt.

Lösungsansatz

Die rechte Seite lässt sich als Produkt einer Funktion von xx und einer Funktion von yy schreiben. Solche Gleichungen heissen separabel, und man löst sie systematisch mit der Trennung der Variablen:

Die Idee dahinter: man schreibt y′=dydxy' = \frac{dy}{dx}, bringt alles mit yy auf die eine und alles mit xx auf die andere Seite, und integriert. Die Integrationskonstante CC parametrisiert die Lösungsfamilie.

Schritt-für-Schritt Lösung

Zuerst schreiben wir die Gleichung in der Form y′=g(x) h(y)y' = g(x)\, h(y): y′=x (1+y2).y' = x\,(1 + y^2).

Hier ist g(x)=xg(x) = x und h(y)=1+y2h(y) = 1 + y^2. Da 1+y2>01 + y^2 > 0 für alle reellen yy gilt, gibt es keine konstante Lösung mit h(y0)=0h(y_0) = 0, und wir dürfen ohne Einschränkung trennen. Das heisst, wir dürfen durch (1+y2)(1 + y^2) teilen: 11+y2 dy=x dx.\frac{1}{1 + y^2}\, dy = x\, dx.

Nun integrieren wir beide Seiten. Links erkennen wir die Ableitung von arctan⁡\arctan, rechts eine einfache Potenz: ∫11+y2 dy=∫x dx.\int\limits \frac{1}{1 + y^2}\, dy = \int\limits x\, dx.

Das ergibt arctan⁡(y)=x22+C\arctan(y) = \frac{x^2}{2} + C mit einer Integrationskonstante C∈RC \in \mathbb{R}.

Zum Schluss lösen wir nach yy auf. Die Tangensfunktion ist die Umkehrfunktion von arctan⁡\arctan auf dem Intervall (−π2,π2)\bigl(-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\bigr), und lokal um jede Lösung bleibt man in einem solchen Ast: y(x)=tan⁡ ⁣(x22+C).y(x) = \tan\!\left(\frac{x^2}{2} + C\right).

Das ist die allgemeine Lösung der Differentialgleichung (auf Intervallen, in denen x22+C\frac{x^2}{2} + C im Definitionsbereich von tan⁡\tan liegt).

Fazit

Sobald y′y' als Produkt g(x) h(y)g(x)\, h(y) vorliegt, sortierst du die Variablen auf zwei Seiten und integrierst. Die Integrationskonstante liefert die Lösungsfamilie; Anfangsbedingungen fixieren danach ein konkretes CC. Vergiss nicht, Stellen mit h(y)=0h(y) = 0 separat zu prüfen.

Weitere Übungen

  1. Löse die Differentialgleichung y′=λyy' = \lambda y für ein festes λ∈R\lambda \in \mathbb{R}.

    Tipp anzeigen Schreibe y′=λyy' = \lambda y als g(x) h(y)g(x)\, h(y) mit g(x)=λg(x) = \lambda und h(y)=yh(y) = y. Beachte den Fall y=0y = 0 separat.
    Lösung anzeigen Die konstante Funktion y≡0y \equiv 0 erfüllt die Gleichung und gehört zur Lösungsfamilie (mit C=0C = 0 unten). Für y≠0y \neq 0 trennen wir: 1y dy=λ dx.\frac{1}{y}\, dy = \lambda\, dx.

    Integration beider Seiten liefert ln⁡∣y∣=λx+K\ln|y| = \lambda x + K mit K∈RK \in \mathbb{R}. Exponentieren ergibt ∣y∣=eKeλx,|y| = e^{K} e^{\lambda x}, also y(x)=Ceλxy(x) = C e^{\lambda x} mit C=±eK≠0C = \pm e^{K} \neq 0. Zusammen mit y≡0y \equiv 0 lautet die allgemeine Lösung y(x)=Ceλx,C∈R.y(x) = C e^{\lambda x}, \qquad C \in \mathbb{R}.

  2. Löse die Differentialgleichung y′=xyy' = \frac{x}{y} für y≠0y \neq 0.

    Tipp anzeigen Multipliziere beide Seiten mit y dxy\, dx und integriere. Das Ergebnis ist eine implizite Gleichung für y(x)y(x).
    Lösung anzeigen Trennung der Variablen liefert y dy=x dx.y\, dy = x\, dx.

    Integration beider Seiten: ∫y dy=∫x dx  ⟹  y22=x22+C.\int\limits y\, dy = \int\limits x\, dx \implies \frac{y^2}{2} = \frac{x^2}{2} + C.

    Mit K:=2CK := 2C erhalten wir die implizite Form y2−x2=K,K∈R.y^2 - x^2 = K, \qquad K \in \mathbb{R}.

    Explizit: y(x)=±x2+Ky(x) = \pm \sqrt{x^2 + K}, jeweils auf Intervallen, in denen der Ausdruck unter der Wurzel positiv bleibt und yy nicht null wird.

  3. Löse das Anfangswertproblem y′=2xyy' = 2xy mit y(0)=3y(0) = 3.

    Tipp anzeigen Trenne die Variablen, integriere, und bestimme CC aus y(0)=3y(0) = 3.
    Lösung anzeigen Für y≠0y \neq 0 gilt 1y dy=2x dx.\frac{1}{y}\, dy = 2x\, dx.

    Integration liefert ln⁡∣y∣=x2+K  ⟹  y(x)=Cex2\ln|y| = x^2 + K \implies y(x) = C e^{x^2} mit C=±eKC = \pm e^{K}. Die Nullösung y≡0y \equiv 0 entspricht C=0C = 0. Die Anfangsbedingung y(0)=3y(0) = 3 ergibt C=3C = 3, also y(x)=3ex2.y(x) = 3 e^{x^2}.