Analysis Beispiele

$\frac{d y}{d x} = \frac{2 y}{x} - x^{2} y^{2}$

Schritt 1

Schreibe die Differentialgleichung so um, dass sie der Bernoulli-Technik entspricht.

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Schritt 1.1

Subtrahiere $\frac{2 y}{x}$ von beiden Seiten der Gleichung.

$\frac{d y}{d x} - \frac{2 y}{x} = - x^{2} y^{2}$

Schritt 1.2

Faktorisiere $y$ aus $- \frac{2 y}{x}$ heraus.

$\frac{d y}{d x} + y (- \frac{2}{x}) = - x^{2} y^{2}$

Schritt 1.3

Stelle $y$ und $- \frac{2}{x}$ um.

$\frac{d y}{d x} - \frac{2}{x} y = - x^{2} y^{2}$

Schritt 2

Um die Differentialgleichung zu lösen, sei $v = y^{1 - n}$ wo $n$ der Exponent von $y^{2}$ ist.

$v = y^{- 1}$

Schritt 3

Löse die Gleichung nach $y$ auf.

$y = v^{- 1}$

Schritt 4

Nimm die Ableitung von $y$ in Gedenken an $x$ .

$y' = v^{- 1}$

Schritt 5

Nimm die Ableitung von $v^{- 1}$ in Gedenken an $x$ .

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Schritt 5.1

Nimm die Ableitung von $v^{- 1}$ .

$y' = \frac{d}{d x} [v^{- 1}]$

Schritt 5.2

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

$y' = \frac{d}{d x} [\frac{1}{v}]$

Schritt 5.3

Differenziere unter Anwendung der Quotientenregel, die besagt, dass $\frac{d}{d x} [\frac{f (x)}{g (x)}]$ gleich $\frac{g (x) \frac{d}{d x} [f (x)] - f (x) \frac{d}{d x} [g (x)]}{{g (x)}^{2}}$ ist mit $f (x) = 1$ und $g (x) = v$ .

$y' = \frac{v \frac{d}{d x} [1] - 1 \cdot 1 \frac{d}{d x} [v]}{v^{2}}$

Schritt 5.4

Differenziere unter Anwendung der Konstantenregel.

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Schritt 5.4.1

Mutltipliziere $- 1$ mit $1$ .

$y' = \frac{v \frac{d}{d x} [1] - \frac{d}{d x} [v]}{v^{2}}$

Schritt 5.4.2

Da $1$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $1$ bezüglich $x$ gleich $0$ .

$y' = \frac{v \cdot 0 - \frac{d}{d x} [v]}{v^{2}}$

Schritt 5.4.3

Vereinfache den Ausdruck.

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Schritt 5.4.3.1

Mutltipliziere $v$ mit $0$ .

$y' = \frac{0 - \frac{d}{d x} [v]}{v^{2}}$

Schritt 5.4.3.2

Subtrahiere $\frac{d}{d x} [v]$ von $0$ .

$y' = \frac{- \frac{d}{d x} [v]}{v^{2}}$

Schritt 5.4.3.3

Ziehe das Minuszeichen vor den Bruch.

$y' = - \frac{\frac{d}{d x} [v]}{v^{2}}$

Schritt 5.5

Schreibe $\frac{d}{d x} [v]$ als $v'$ um.

$y' = - \frac{v'}{v^{2}}$

Schritt 6

Setze $- \frac{v'}{v^{2}}$ für $\frac{d y}{d x}$ und $v^{- 1}$ für $y$ in die ursprüngliche Gleichung $\frac{d y}{d x} - \frac{2}{x} y = - x^{2} y^{2}$ ein.

$- \frac{v'}{v^{2}} - \frac{2}{x} v^{- 1} = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2}$

Schritt 7

Löse die substituierte Differentialgleichung.

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Schritt 7.1

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

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Schritt 7.1.1

Multipliziere jeden Term in $- \frac{\frac{d v}{d x}}{v^{2}} - \frac{2}{x} v^{- 1} = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2}$ mit $- v^{2}$ um die Brüche zu eliminieren.

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Schritt 7.1.1.1

Multipliziere jeden Term in $- \frac{\frac{d v}{d x}}{v^{2}} - \frac{2}{x} v^{- 1} = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2}$ mit $- v^{2}$ .

$- \frac{\frac{d v}{d x}}{v^{2}} (- v^{2}) - \frac{2}{x} v^{- 1} (- v^{2}) = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.2

Vereinfache die linke Seite.

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Schritt 7.1.1.2.1

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 7.1.1.2.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor von $v^{2}$ .

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Schritt 7.1.1.2.1.1.1

Bringe das führende Minuszeichen in $- \frac{\frac{d v}{d x}}{v^{2}}$ in den Zähler.

$\frac{- \frac{d v}{d x}}{v^{2}} (- v^{2}) - \frac{2}{x} v^{- 1} (- v^{2}) = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.2.1.1.2

Faktorisiere $v^{2}$ aus $- v^{2}$ heraus.

$\frac{- \frac{d v}{d x}}{v^{2}} (v^{2} \cdot - 1) - \frac{2}{x} v^{- 1} (- v^{2}) = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.2.1.1.3

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{- \frac{d v}{d x}}{v^{2}} (v^{2} \cdot - 1) - \frac{2}{x} v^{- 1} (- v^{2}) = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.2.1.1.4

Forme den Ausdruck um.

$- \frac{d v}{d x} \cdot - 1 - \frac{2}{x} v^{- 1} (- v^{2}) = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.2.1.2

Mutltipliziere $- 1$ mit $- 1$ .

$1 \frac{d v}{d x} - \frac{2}{x} v^{- 1} (- v^{2}) = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.2.1.3

Mutltipliziere $\frac{d v}{d x}$ mit $1$ .

$\frac{d v}{d x} - \frac{2}{x} v^{- 1} (- v^{2}) = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.2.1.4

Multipliziere $v^{- 1}$ mit $v^{2}$ durch Addieren der Exponenten.

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Schritt 7.1.1.2.1.4.1

Bewege $v^{2}$ .

$\frac{d v}{d x} - \frac{2}{x} (v^{2} v^{- 1}) \cdot - 1 = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.2.1.4.2

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

$\frac{d v}{d x} - \frac{2}{x} v^{2 - 1} \cdot - 1 = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.2.1.4.3

Subtrahiere $1$ von $2$ .

$\frac{d v}{d x} - \frac{2}{x} v^{1} \cdot - 1 = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.2.1.5

Vereinfache $- \frac{2}{x} v^{1} \cdot - 1$ .

$\frac{d v}{d x} - \frac{2}{x} v \cdot - 1 = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.2.1.6

Kombiniere $v$ und $\frac{2}{x}$ .

$\frac{d v}{d x} - \frac{v \cdot 2}{x} \cdot - 1 = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.2.1.7

Bringe $2$ auf die linke Seite von $v$ .

$\frac{d v}{d x} - \frac{2 \cdot v}{x} \cdot - 1 = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.2.1.8

Multipliziere $- \frac{2 v}{x} \cdot - 1$ .

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Schritt 7.1.1.2.1.8.1

Mutltipliziere $- 1$ mit $- 1$ .

$\frac{d v}{d x} + 1 \frac{2 v}{x} = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.2.1.8.2

Mutltipliziere $\frac{2 v}{x}$ mit $1$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.3

Vereinfache die rechte Seite.

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Schritt 7.1.1.3.1

Multipliziere die Exponenten in ${(v^{- 1})}^{2}$ .

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Schritt 7.1.1.3.1.1

Wende die Potenzregel an und multipliziere die Exponenten, ${(a^{m})}^{n} = a^{m n}$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = - x^{2} v^{- 1 \cdot 2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.3.1.2

Mutltipliziere $- 1$ mit $2$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = - x^{2} v^{- 2} (- v^{2})$

Schritt 7.1.1.3.2

Multipliziere $v^{- 2}$ mit $v^{2}$ durch Addieren der Exponenten.

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Schritt 7.1.1.3.2.1

Bewege $v^{2}$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = - x^{2} (v^{2} v^{- 2}) \cdot - 1$

Schritt 7.1.1.3.2.2

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

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = - x^{2} v^{2 - 2} \cdot - 1$

Schritt 7.1.1.3.2.3

Subtrahiere $2$ von $2$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = - x^{2} v^{0} \cdot - 1$

Schritt 7.1.1.3.3

Vereinfache $- x^{2} v^{0} \cdot - 1$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = - x^{2} \cdot - 1$

Schritt 7.1.1.3.4

Multipliziere $- x^{2} \cdot - 1$ .

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Schritt 7.1.1.3.4.1

Mutltipliziere $- 1$ mit $- 1$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = 1 x^{2}$

Schritt 7.1.1.3.4.2

Mutltipliziere $x^{2}$ mit $1$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = x^{2}$

Schritt 7.1.2

Faktorisiere $v$ aus $\frac{2 v}{x}$ heraus.

$\frac{d v}{d x} + v \frac{2}{x} = x^{2}$

Schritt 7.1.3

Stelle $v$ und $\frac{2}{x}$ um.

$\frac{d v}{d x} + \frac{2}{x} v = x^{2}$

Schritt 7.2

Der Integrationsfaktor ist definiert durch die Formel $e^{\int P (x) d x}$ , wobei $P (x) = \frac{2}{x}$ gilt.

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Schritt 7.2.1

Stelle das Integral auf.

$e^{\int \frac{2}{x} d x}$

Schritt 7.2.2

Integriere $\frac{2}{x}$ .

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Schritt 7.2.2.1

Da $2$ konstant bezüglich $x$ ist, ziehe $2$ aus dem Integral.

$e^{2 \int \frac{1}{x} d x}$

Schritt 7.2.2.2

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

$e^{2 (\ln (| x |) + C)}$

Schritt 7.2.2.3

Vereinfache.

$e^{2 \ln (| x |) + C}$

Schritt 7.2.3

Entferne die Konstante der Integration.

$e^{2 \ln (x)}$

Schritt 7.2.4

Verwende die Potenzregel des Logarithmus.

$e^{\ln (x^{2})}$

Schritt 7.2.5

Exponentialfunktion und Logarithmusfunktion sind zueinander inverse Funktionen.

$x^{2}$

Schritt 7.3

Multipliziere jeden Ausdruck mit $x^{2}$ .

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Schritt 7.3.1

Multipliziere jeden Ausdruck mit $x^{2}$ .

$x^{2} \frac{d v}{d x} + x^{2} (\frac{2}{x} v) = x^{2} x^{2}$

Schritt 7.3.2

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 7.3.2.1

Kombiniere $\frac{2}{x}$ und $v$ .

$x^{2} \frac{d v}{d x} + x^{2} \frac{2 v}{x} = x^{2} x^{2}$

Schritt 7.3.2.2

Kürze den gemeinsamen Faktor von $x$ .

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Schritt 7.3.2.2.1

Faktorisiere $x$ aus $x^{2}$ heraus.

$x^{2} \frac{d v}{d x} + x \cdot x \frac{2 v}{x} = x^{2} x^{2}$

Schritt 7.3.2.2.2

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$x^{2} \frac{d v}{d x} + x \cdot x \frac{2 v}{x} = x^{2} x^{2}$

Schritt 7.3.2.2.3

Forme den Ausdruck um.

$x^{2} \frac{d v}{d x} + x (2 v) = x^{2} x^{2}$

Schritt 7.3.2.3

Schreibe neu unter Anwendung des Kommutativgesetzes der Multiplikation.

$x^{2} \frac{d v}{d x} + 2 x v = x^{2} x^{2}$

Schritt 7.3.3

Multipliziere $x^{2}$ mit $x^{2}$ durch Addieren der Exponenten.

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Schritt 7.3.3.1

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

$x^{2} \frac{d v}{d x} + 2 x v = x^{2 + 2}$

Schritt 7.3.3.2

Addiere $2$ und $2$ .

$x^{2} \frac{d v}{d x} + 2 x v = x^{4}$

Schritt 7.4

Schreibe die linke Seite als ein Ergebnis der Produktdifferenzierung.

$\frac{d}{d x} [x^{2} v] = x^{4}$

Schritt 7.5

Integriere auf beiden Seiten.

$\int \frac{d}{d x} [x^{2} v] d x = \int x^{4} d x$

Schritt 7.6

Integriere die linke Seite.

$x^{2} v = \int x^{4} d x$

Schritt 7.7

Gemäß der Potenzregel ist das Integral von $x^{4}$ nach $x$ gleich $\frac{1}{5} x^{5}$ .

$x^{2} v = \frac{1}{5} x^{5} + C$

Schritt 7.8

Teile jeden Ausdruck in $x^{2} v = \frac{1}{5} x^{5} + C$ durch $x^{2}$ und vereinfache.

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Schritt 7.8.1

Teile jeden Ausdruck in $x^{2} v = \frac{1}{5} x^{5} + C$ durch $x^{2}$ .

$\frac{x^{2} v}{x^{2}} = \frac{\frac{1}{5} x^{5}}{x^{2}} + \frac{C}{x^{2}}$

Schritt 7.8.2

Vereinfache die linke Seite.

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Schritt 7.8.2.1

Kürze den gemeinsamen Faktor von $x^{2}$ .

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Schritt 7.8.2.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{x^{2} v}{x^{2}} = \frac{\frac{1}{5} x^{5}}{x^{2}} + \frac{C}{x^{2}}$

Schritt 7.8.2.1.2

Dividiere $v$ durch $1$ .

$v = \frac{\frac{1}{5} x^{5}}{x^{2}} + \frac{C}{x^{2}}$

Schritt 7.8.3

Vereinfache die rechte Seite.

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Schritt 7.8.3.1

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 7.8.3.1.1

Kürze den gemeinsamen Teiler von $x^{5}$ und $x^{2}$ .

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Schritt 7.8.3.1.1.1

Faktorisiere $x^{2}$ aus $\frac{1}{5} x^{5}$ heraus.

$v = \frac{x^{2} (\frac{1}{5} x^{3})}{x^{2}} + \frac{C}{x^{2}}$

Schritt 7.8.3.1.1.2

Kürze die gemeinsamen Faktoren.

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Schritt 7.8.3.1.1.2.1

Multipliziere mit $1$ .

$v = \frac{x^{2} (\frac{1}{5} x^{3})}{x^{2} \cdot 1} + \frac{C}{x^{2}}$

Schritt 7.8.3.1.1.2.2

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$v = \frac{x^{2} (\frac{1}{5} x^{3})}{x^{2} \cdot 1} + \frac{C}{x^{2}}$

Schritt 7.8.3.1.1.2.3

Forme den Ausdruck um.

$v = \frac{\frac{1}{5} x^{3}}{1} + \frac{C}{x^{2}}$

Schritt 7.8.3.1.1.2.4

Dividiere $\frac{1}{5} x^{3}$ durch $1$ .

$v = \frac{1}{5} x^{3} + \frac{C}{x^{2}}$

Schritt 7.8.3.1.2

Kombiniere $\frac{1}{5}$ und $x^{3}$ .

$v = \frac{x^{3}}{5} + \frac{C}{x^{2}}$

Schritt 8

Ersetze $v$ durch $y^{- 1}$ .

$y^{- 1} = \frac{x^{3}}{5} + \frac{C}{x^{2}}$