Analysis Beispiele

$\frac{d y}{d x} - \frac{3 y}{x} = x^{3}$ if $y (1) = 4$

Schritt 1

Schreibe die Differentialgleichung als $\frac{d y}{d x} + M (x) y = Q (x)$ um.

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Schritt 1.1

Faktorisiere $y$ aus $- \frac{3 y}{x}$ heraus.

$\frac{d y}{d x} + y (- \frac{3}{x}) = x^{3}$

Schritt 1.2

Stelle $y$ und $- \frac{3}{x}$ um.

$\frac{d y}{d x} - \frac{3}{x} y = x^{3}$

Schritt 2

Der Integrationsfaktor ist definiert durch die Formel $e^{\int P (x) d x}$ , wobei $P (x) = - \frac{3}{x}$ gilt.

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Schritt 2.1

Stelle das Integral auf.

$e^{\int - \frac{3}{x} d x}$

Schritt 2.2

Integriere $- \frac{3}{x}$ .

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Schritt 2.2.1

Da $- 1$ konstant bezüglich $x$ ist, ziehe $- 1$ aus dem Integral.

$e^{- \int \frac{3}{x} d x}$

Schritt 2.2.2

Da $3$ konstant bezüglich $x$ ist, ziehe $3$ aus dem Integral.

$e^{- (3 \int \frac{1}{x} d x)}$

Schritt 2.2.3

Mutltipliziere $3$ mit $- 1$ .

$e^{- 3 \int \frac{1}{x} d x}$

Schritt 2.2.4

Das Integral von $\frac{1}{x}$ nach $x$ ist $\ln (| x |)$ .

$e^{- 3 (\ln (| x |) + C)}$

Schritt 2.2.5

Vereinfache.

$e^{- 3 \ln (| x |) + C}$

Schritt 2.3

Entferne die Konstante der Integration.

$e^{- 3 \ln (x)}$

Schritt 2.4

Verwende die Potenzregel des Logarithmus.

$e^{\ln (x^{- 3})}$

Schritt 2.5

Exponentialfunktion und Logarithmusfunktion sind zueinander inverse Funktionen.

$x^{- 3}$

Schritt 2.6

Schreibe den Ausdruck um mithilfe der Regel des negativen Exponenten $b^{- n} = \frac{1}{b^{n}}$ .

$\frac{1}{x^{3}}$

Schritt 3

Multipliziere jeden Ausdruck mit $\frac{1}{x^{3}}$ .

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Schritt 3.1

Multipliziere jeden Ausdruck mit $\frac{1}{x^{3}}$ .

$\frac{1}{x^{3}} \frac{d y}{d x} + \frac{1}{x^{3}} (- \frac{3}{x} y) = \frac{1}{x^{3}} x^{3}$

Schritt 3.2

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 3.2.1

Kombiniere $\frac{1}{x^{3}}$ und $\frac{d y}{d x}$ .

$\frac{\frac{d y}{d x}}{x^{3}} + \frac{1}{x^{3}} (- \frac{3}{x} y) = \frac{1}{x^{3}} x^{3}$

Schritt 3.2.2

Schreibe neu unter Anwendung des Kommutativgesetzes der Multiplikation.

$\frac{\frac{d y}{d x}}{x^{3}} - \frac{1}{x^{3}} (\frac{3}{x} y) = \frac{1}{x^{3}} x^{3}$

Schritt 3.2.3

Kombiniere $\frac{3}{x}$ und $y$ .

$\frac{\frac{d y}{d x}}{x^{3}} - \frac{1}{x^{3}} \cdot \frac{3 y}{x} = \frac{1}{x^{3}} x^{3}$

Schritt 3.2.4

Multipliziere $- \frac{1}{x^{3}} \cdot \frac{3 y}{x}$ .

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Schritt 3.2.4.1

Mutltipliziere $\frac{3 y}{x}$ mit $\frac{1}{x^{3}}$ .

$\frac{\frac{d y}{d x}}{x^{3}} - \frac{3 y}{x \cdot x^{3}} = \frac{1}{x^{3}} x^{3}$

Schritt 3.2.4.2

Multipliziere $x$ mit $x^{3}$ durch Addieren der Exponenten.

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Schritt 3.2.4.2.1

Mutltipliziere $x$ mit $x^{3}$ .

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Schritt 3.2.4.2.1.1

Potenziere $x$ mit $1$ .

$\frac{\frac{d y}{d x}}{x^{3}} - \frac{3 y}{x^{1} x^{3}} = \frac{1}{x^{3}} x^{3}$

Schritt 3.2.4.2.1.2

Wende die Exponentenregel $a^{m} a^{n} = a^{m + n}$ an, um die Exponenten zu kombinieren.

$\frac{\frac{d y}{d x}}{x^{3}} - \frac{3 y}{x^{1 + 3}} = \frac{1}{x^{3}} x^{3}$

Schritt 3.2.4.2.2

Addiere $1$ und $3$ .

$\frac{\frac{d y}{d x}}{x^{3}} - \frac{3 y}{x^{4}} = \frac{1}{x^{3}} x^{3}$

Schritt 3.3

Kürze den gemeinsamen Faktor von $x^{3}$ .

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Schritt 3.3.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{\frac{d y}{d x}}{x^{3}} - \frac{3 y}{x^{4}} = \frac{1}{x^{3}} x^{3}$

Schritt 3.3.2

Forme den Ausdruck um.

$\frac{\frac{d y}{d x}}{x^{3}} - \frac{3 y}{x^{4}} = 1$

Schritt 4

Schreibe die linke Seite als ein Ergebnis der Produktdifferenzierung.

$\frac{d}{d x} [\frac{1}{x^{3}} y] = 1$

Schritt 5

Integriere auf beiden Seiten.

$\int \frac{d}{d x} [\frac{1}{x^{3}} y] d x = \int d x$

Schritt 6

Integriere die linke Seite.

$\frac{1}{x^{3}} y = \int d x$

Schritt 7

Wende die Konstantenregel an.

$\frac{1}{x^{3}} y = x + C$

Schritt 8

Löse nach $y$ auf.

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Schritt 8.1

Kombiniere $\frac{1}{x^{3}}$ und $y$ .

$\frac{y}{x^{3}} = x + C$

Schritt 8.2

Multipliziere beide Seiten mit $x^{3}$ .

$\frac{y}{x^{3}} x^{3} = (x + C) x^{3}$

Schritt 8.3

Vereinfache.

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Schritt 8.3.1

Vereinfache die linke Seite.

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Schritt 8.3.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor von $x^{3}$ .

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Schritt 8.3.1.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{y}{x^{3}} x^{3} = (x + C) x^{3}$

Schritt 8.3.1.1.2

Forme den Ausdruck um.

$y = (x + C) x^{3}$

Schritt 8.3.2

Vereinfache die rechte Seite.

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Schritt 8.3.2.1

Vereinfache $(x + C) x^{3}$ .

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Schritt 8.3.2.1.1

Wende das Distributivgesetz an.

$y = x \cdot x^{3} + C x^{3}$

Schritt 8.3.2.1.2

Multipliziere $x$ mit $x^{3}$ durch Addieren der Exponenten.

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Schritt 8.3.2.1.2.1

Mutltipliziere $x$ mit $x^{3}$ .

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Schritt 8.3.2.1.2.1.1

Potenziere $x$ mit $1$ .

$y = x^{1} x^{3} + C x^{3}$

Schritt 8.3.2.1.2.1.2

Wende die Exponentenregel $a^{m} a^{n} = a^{m + n}$ an, um die Exponenten zu kombinieren.

$y = x^{1 + 3} + C x^{3}$

Schritt 8.3.2.1.2.2

Addiere $1$ und $3$ .

$y = x^{4} + C x^{3}$

Schritt 8.3.2.1.3

Stelle $x^{4}$ und $C x^{3}$ um.

$y = C x^{3} + x^{4}$

Schritt 9

Verwende die Anfangsbedingung um die Werte für $C$ zu finden indem $1$ für $x$ und $4$ für $y$ in $y = C x^{3} + x^{4}$ ersetzt wird.

$4 = C \cdot 1^{3} + 1^{4}$

Schritt 10

Löse nach $C$ auf.

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Schritt 10.1

Schreibe die Gleichung als $C \cdot 1^{3} + 1^{4} = 4$ um.

$C \cdot 1^{3} + 1^{4} = 4$

Schritt 10.2

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 10.2.1

Eins zu einer beliebigen Potenz erhoben ergibt eins.

$C \cdot 1 + 1^{4} = 4$

Schritt 10.2.2

Mutltipliziere $C$ mit $1$ .

$C + 1^{4} = 4$

Schritt 10.2.3

Eins zu einer beliebigen Potenz erhoben ergibt eins.

$C + 1 = 4$

Schritt 10.3

Bringe alle Terme, die nicht $C$ enthalten, auf die rechte Seite der Gleichung.

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Schritt 10.3.1

Subtrahiere $1$ von beiden Seiten der Gleichung.

$C = 4 - 1$

Schritt 10.3.2

Subtrahiere $1$ von $4$ .

$C = 3$

Schritt 11

Setze $3$ für $C$ in $y = C x^{3} + x^{4}$ ein und vereinfache.

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Schritt 11.1

Ersetze $C$ durch $3$ .

$y = 3 x^{3} + x^{4}$