Analysis Beispiele

$x d y + (2 y - 10 x^{2}) d x = 0$

Schritt 1

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

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Schritt 1.1

Forme um.

$(2 y - 10 x^{2}) d x + x d y = 0$

Schritt 2

Ermittle $\frac{\partial M}{\partial y}$ , wenn $M (x, y) = 2 y - 10 x^{2}$ .

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Schritt 2.1

Differenziere $M$ nach $y$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{d}{d y} [2 y - 10 x^{2}]$

Schritt 2.2

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $2 y - 10 x^{2}$ nach $y$ $\frac{d}{d y} [2 y] + \frac{d}{d y} [- 10 x^{2}]$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{d}{d y} [2 y] + \frac{d}{d y} [- 10 x^{2}]$

Schritt 2.3

Berechne $\frac{d}{d y} [2 y]$ .

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Schritt 2.3.1

Da $2$ konstant bezüglich $y$ ist, ist die Ableitung von $2 y$ nach $y$ gleich $2 \frac{d}{d y} [y]$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = 2 \frac{d}{d y} [y] + \frac{d}{d y} [- 10 x^{2}]$

Schritt 2.3.2

Differenziere unter Anwendung der Potenzregel, die besagt, dass $\frac{d}{d y} [y^{n}]$ gleich $n y^{n - 1}$ ist mit $n = 1$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = 2 \cdot 1 + \frac{d}{d y} [- 10 x^{2}]$

Schritt 2.3.3

Mutltipliziere $2$ mit $1$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = 2 + \frac{d}{d y} [- 10 x^{2}]$

Schritt 2.4

Differenziere unter Anwendung der Konstantenregel.

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Schritt 2.4.1

Da $- 10 x^{2}$ konstant bezüglich $y$ ist, ist die Ableitung von $- 10 x^{2}$ bezüglich $y$ gleich $0$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = 2 + 0$

Schritt 2.4.2

Addiere $2$ und $0$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = 2$

Schritt 3

Ermittle $\frac{\partial N}{\partial x}$ , wenn $N (x, y) = x$ .

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Schritt 3.1

Differenziere $N$ nach $x$ .

$\frac{\partial N}{\partial x} = \frac{d}{d x} [x]$

Schritt 3.2

Differenziere unter Anwendung der Potenzregel, die besagt, dass $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ gleich $n x^{n - 1}$ ist mit $n = 1$ .

$\frac{\partial N}{\partial x} = 1$

Schritt 4

Prüfe, ob $\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{\partial N}{\partial x}$ .

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Schritt 4.1

Setze $2$ für $\frac{\partial M}{\partial y}$ und $1$ für $\frac{\partial N}{\partial x}$ ein.

$2 = 1$

Schritt 4.2

Da die linke Seite nicht gleich der rechten Seite ist, ist die Gleichung nicht identisch.

$2 = 1$ ist keine Identitätsgleichung.

Schritt 5

Bestimme den Integrationsfaktor $μ (x, y) = e^{\int \frac{\frac{\partial M}{\partial y} - \frac{\partial N}{\partial x}}{N} d x}$ .

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Schritt 5.1

Ersetze $\frac{\partial M}{\partial y}$ durch $2$ .

$\frac{2 - \frac{\partial N}{\partial x}}{N}$

Schritt 5.2

Ersetze $\frac{\partial N}{\partial x}$ durch $1$ .

$\frac{2 - 1}{N}$

Schritt 5.3

Ersetze $N$ durch $x$ .

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Schritt 5.3.1

Ersetze $N$ durch $x$ .

$\frac{2 - 1}{x}$

Schritt 5.3.2

Subtrahiere $1$ von $2$ .

$\frac{1}{x}$

Schritt 5.4

Bestimme den Integrationsfaktor $μ (x, y) = e^{\int \frac{\frac{\partial M}{\partial y} - \frac{\partial N}{\partial x}}{N} d x}$ .

$μ (x, y) = e^{\int \frac{1}{x} d x}$

Schritt 6

Berechne das Integral $e^{\int \frac{1}{x} d x}$ .

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Schritt 6.1

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

$μ (x, y) = e^{\ln (| x |) + C}$

Schritt 6.2

Vereinfache die Lösung.

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Schritt 6.2.1

Vereinfache.

$μ (x, y) = e^{\ln (| x |)} + C$

Schritt 6.2.2

Exponentialfunktion und Logarithmusfunktion sind zueinander inverse Funktionen.

$μ (x, y) = | x | + C$

Schritt 7

Multipliziere beide Seiten von $(2 y - 10 x^{2}) d x + x d y = 0$ mit dem Integrationsfaktor $x$ .

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Schritt 7.1

Mutltipliziere $2 y - 10 x^{2}$ mit $x$ .

$(2 y - 10 x^{2}) x d x + x d y = 0$

Schritt 7.2

Wende das Distributivgesetz an.

$(2 y x - 10 x^{2} x) d x + x d y = 0$

Schritt 7.3

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

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Schritt 7.3.1

Bewege $x$ .

$(2 y x - 10 (x \cdot x^{2})) d x + x d y = 0$

Schritt 7.3.2

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

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Schritt 7.3.2.1

Potenziere $x$ mit $1$ .

$(2 y x - 10 (x^{1} x^{2})) d x + x d y = 0$

Schritt 7.3.2.2

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

$(2 y x - 10 x^{1 + 2}) d x + x d y = 0$

Schritt 7.3.3

Addiere $1$ und $2$ .

$(2 y x - 10 x^{3}) d x + x d y = 0$

Schritt 7.4

Mutltipliziere $x$ mit $x$ .

$(2 y x - 10 x^{3}) d x + x \cdot x d y = 0$

Schritt 7.5

Mutltipliziere $x$ mit $x$ .

$(2 y x - 10 x^{3}) d x + x^{2} d y = 0$

Schritt 8

Setze $f (x, y)$ gleich dem Integral von $N (x, y)$ .

$f (x, y) = \int x^{2} d y$

Schritt 9

Integriere $N (x, y) = x^{2}$ , um $f (x, y)$ zu finden.

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Schritt 9.1

Wende die Konstantenregel an.

$f (x, y) = x^{2} y + C$

Schritt 10

Da das Integral von $g (x)$ eine Integrationskonstante enthalten wird, können wir $C$ durch $g (x)$ ersetzen.

$f (x, y) = x^{2} y + g (x)$

Schritt 11

Setze $\frac{\partial f}{\partial x} = M (x, y)$ .

$\frac{\partial f}{\partial x} = 2 y x - 10 x^{3}$

Schritt 12

Ermittle $\frac{\partial f}{\partial x}$ .

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Schritt 12.1

Differenziere $f$ nach $x$ .

$\frac{d}{d x} [x^{2} y + g (x)] = 2 y x - 10 x^{3}$

Schritt 12.2

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $x^{2} y + g (x)$ nach $x$ $\frac{d}{d x} [x^{2} y] + \frac{d}{d x} [g (x)]$ .

$\frac{d}{d x} [x^{2} y] + \frac{d}{d x} [g (x)] = 2 y x - 10 x^{3}$

Schritt 12.3

Berechne $\frac{d}{d x} [x^{2} y]$ .

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Schritt 12.3.1

Da $y$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $x^{2} y$ nach $x$ gleich $y \frac{d}{d x} [x^{2}]$ .

$y \frac{d}{d x} [x^{2}] + \frac{d}{d x} [g (x)] = 2 y x - 10 x^{3}$

Schritt 12.3.2

Differenziere unter Anwendung der Potenzregel, die besagt, dass $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ gleich $n x^{n - 1}$ ist mit $n = 2$ .

$y (2 x) + \frac{d}{d x} [g (x)] = 2 y x - 10 x^{3}$

Schritt 12.3.3

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

$2 y x + \frac{d}{d x} [g (x)] = 2 y x - 10 x^{3}$

Schritt 12.4

Differenziere unter Anwendung der Funktionsregel, die besagt, dass die Ableitung von $g (x)$ $\frac{d g}{d x}$ ist.

$2 y x + \frac{d g}{d x} = 2 y x - 10 x^{3}$

Schritt 12.5

Stelle die Terme um.

$\frac{d g}{d x} + 2 x y = 2 y x - 10 x^{3}$

Schritt 13

Löse nach $\frac{d g}{d x}$ auf.

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Schritt 13.1

Bringe alle Terme, die nicht $\frac{d g}{d x}$ enthalten, auf die rechte Seite der Gleichung.

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Schritt 13.1.1

Subtrahiere $2 x y$ von beiden Seiten der Gleichung.

$\frac{d g}{d x} = 2 y x - 10 x^{3} - 2 x y$

Schritt 13.1.2

Vereine die Terme mit entgegengesetztem Vorzeichen in $2 y x - 10 x^{3} - 2 x y$ .

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Schritt 13.1.2.1

Ordne die Faktoren in den Termen $2 y x$ und $- 2 x y$ neu an.

$\frac{d g}{d x} = 2 x y - 10 x^{3} - 2 x y$

Schritt 13.1.2.2

Subtrahiere $2 x y$ von $2 x y$ .

$\frac{d g}{d x} = - 10 x^{3} + 0$

Schritt 13.1.2.3

Addiere $- 10 x^{3}$ und $0$ .

$\frac{d g}{d x} = - 10 x^{3}$

Schritt 14

Bestimme die Stammfunktion von $- 10 x^{3}$ , um $g (x)$ zu finden.

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Schritt 14.1

Integriere beide Seiten von $\frac{d g}{d x} = - 10 x^{3}$ .

$\int \frac{d g}{d x} d x = \int - 10 x^{3} d x$

Schritt 14.2

Berechne $\int \frac{d g}{d x} d x$ .

$g (x) = \int - 10 x^{3} d x$

Schritt 14.3

Da $- 10$ konstant bezüglich $x$ ist, ziehe $- 10$ aus dem Integral.

$g (x) = - 10 \int x^{3} d x$

Schritt 14.4

Gemäß der Potenzregel ist das Integral von $x^{3}$ nach $x$ gleich $\frac{1}{4} x^{4}$ .

$g (x) = - 10 (\frac{1}{4} x^{4} + C)$

Schritt 14.5

Vereinfache die Lösung.

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Schritt 14.5.1

Schreibe $- 10 (\frac{1}{4} x^{4} + C)$ als $- 10 (\frac{1}{4}) x^{4} + C$ um.

$g (x) = - 10 (\frac{1}{4}) x^{4} + C$

Schritt 14.5.2

Vereinfache.

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Schritt 14.5.2.1

Kombiniere $- 10$ und $\frac{1}{4}$ .

$g (x) = \frac{- 10}{4} x^{4} + C$

Schritt 14.5.2.2

Kürze den gemeinsamen Teiler von $- 10$ und $4$ .

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Schritt 14.5.2.2.1

Faktorisiere $2$ aus $- 10$ heraus.

$g (x) = \frac{2 (- 5)}{4} x^{4} + C$

Schritt 14.5.2.2.2

Kürze die gemeinsamen Faktoren.

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Schritt 14.5.2.2.2.1

Faktorisiere $2$ aus $4$ heraus.

$g (x) = \frac{2 \cdot - 5}{2 \cdot 2} x^{4} + C$

Schritt 14.5.2.2.2.2

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$g (x) = \frac{2 \cdot - 5}{2 \cdot 2} x^{4} + C$

Schritt 14.5.2.2.2.3

Forme den Ausdruck um.

$g (x) = \frac{- 5}{2} x^{4} + C$

Schritt 14.5.2.3

Ziehe das Minuszeichen vor den Bruch.

$g (x) = - \frac{5}{2} x^{4} + C$

Schritt 15

Setze $g (x)$ in $f (x, y) = x^{2} y + g (x)$ ein.

$f (x, y) = x^{2} y - \frac{5}{2} x^{4} + C$

Schritt 16

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 16.1

Kombiniere $x^{4}$ und $\frac{5}{2}$ .

$f (x, y) = x^{2} y - \frac{x^{4} \cdot 5}{2} + C$

Schritt 16.2

Bringe $5$ auf die linke Seite von $x^{4}$ .

$f (x, y) = x^{2} y - \frac{5 x^{4}}{2} + C$