Analysis Beispiele

$x \frac{d y}{d x} - y = \frac{1}{x^{2}}$

Schritt 1

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

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Schritt 1.1

Teile jeden Ausdruck in $x \frac{d y}{d x} - y = \frac{1}{x^{2}}$ durch $x$ .

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

Schritt 1.2

Kürze den gemeinsamen Faktor von $x$ .

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Schritt 1.2.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

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

Schritt 1.2.2

Dividiere $\frac{d y}{d x}$ durch $1$ .

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

Schritt 1.3

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

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

Schritt 1.4

Stelle $y$ und $\frac{- 1}{x}$ um.

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

Schritt 2

Der Integrationsfaktor ist definiert durch die Formel $e^{\int P (x) d x}$ , wobei $P (x) = \frac{- 1}{x}$ gilt.

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Schritt 2.1

Stelle das Integral auf.

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

Schritt 2.2

Integriere $\frac{- 1}{x}$ .

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Schritt 2.2.1

Zerlege den Bruch in mehrere Brüche.

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

Schritt 2.2.2

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

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

Schritt 2.2.3

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

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

Schritt 2.2.4

Vereinfache.

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

Schritt 2.3

Entferne die Konstante der Integration.

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

Schritt 2.4

Verwende die Potenzregel des Logarithmus.

$e^{\ln (x^{- 1})}$

Schritt 2.5

Exponentialfunktion und Logarithmusfunktion sind zueinander inverse Funktionen.

$x^{- 1}$

Schritt 2.6

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

$\frac{1}{x}$

Schritt 3

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

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Schritt 3.1

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

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

Schritt 3.2

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 3.2.1

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

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

Schritt 3.2.2

Ziehe das Minuszeichen vor den Bruch.

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

Schritt 3.2.3

Schreibe neu unter Anwendung des Kommutativgesetzes der Multiplikation.

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

Schritt 3.2.4

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

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

Schritt 3.2.5

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

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Schritt 3.2.5.1

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

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

Schritt 3.2.5.2

Potenziere $x$ mit $1$ .

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

Schritt 3.2.5.3

Potenziere $x$ mit $1$ .

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

Schritt 3.2.5.4

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

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

Schritt 3.2.5.5

Addiere $1$ und $1$ .

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

Schritt 3.3

Kombinieren.

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

Schritt 3.4

Mutltipliziere $x$ mit $x$ .

$\frac{\frac{d y}{d x}}{x} - \frac{y}{x^{2}} = \frac{1 \frac{1}{x^{2}}}{x^{2}}$

Schritt 3.5

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

$\frac{\frac{d y}{d x}}{x} - \frac{y}{x^{2}} = \frac{\frac{1}{x^{2}}}{x^{2}}$

Schritt 3.6

Multipliziere den Zähler mit dem Kehrwert des Nenners.

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

Schritt 3.7

Kombinieren.

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

Schritt 3.8

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

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Schritt 3.8.1

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

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

Schritt 3.8.2

Addiere $2$ und $2$ .

$\frac{\frac{d y}{d x}}{x} - \frac{y}{x^{2}} = \frac{1 \cdot 1}{x^{4}}$

Schritt 3.9

Mutltipliziere $1$ mit $1$ .

$\frac{\frac{d y}{d x}}{x} - \frac{y}{x^{2}} = \frac{1}{x^{4}}$

Schritt 4

Schreibe die linke Seite als ein Ergebnis der Produktdifferenzierung.

$\frac{d}{d x} [\frac{1}{x} y] = \frac{1}{x^{4}}$

Schritt 5

Integriere auf beiden Seiten.

$\int \frac{d}{d x} [\frac{1}{x} y] d x = \int \frac{1}{x^{4}} d x$

Schritt 6

Integriere die linke Seite.

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

Schritt 7

Integriere die rechte Seite.

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Schritt 7.1

Wende die grundlegenden Potenzregeln an.

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Schritt 7.1.1

Bringe $x^{4}$ aus dem Nenner durch Potenzieren mit $- 1$ .

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

Schritt 7.1.2

Multipliziere die Exponenten in ${(x^{4})}^{- 1}$ .

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Schritt 7.1.2.1

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

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

Schritt 7.1.2.2

Mutltipliziere $4$ mit $- 1$ .

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

Schritt 7.2

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

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

Schritt 7.3

Vereinfache die Lösung.

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Schritt 7.3.1

Schreibe $- \frac{1}{3} x^{- 3} + C$ als $- \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{x^{3}} + C$ um.

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

Schritt 7.3.2

Vereinfache.

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Schritt 7.3.2.1

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

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

Schritt 7.3.2.2

Bringe $3$ auf die linke Seite von $x^{3}$ .

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

Schritt 8

Löse nach $y$ auf.

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Schritt 8.1

Bringe alle Terme, die Variablen enthalten, auf die linke Seite der Gleichung.

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Schritt 8.1.1

Addiere $\frac{1}{3 x^{3}}$ zu beiden Seiten der Gleichung.

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

Schritt 8.1.2

Subtrahiere $C$ von beiden Seiten der Gleichung.

$\frac{1}{x} y + \frac{1}{3 x^{3}} - C = 0$

Schritt 8.1.3

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

$\frac{y}{x} + \frac{1}{3 x^{3}} - C = 0$

Schritt 8.2

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

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Schritt 8.2.1

Subtrahiere $\frac{1}{3 x^{3}}$ von beiden Seiten der Gleichung.

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

Schritt 8.2.2

Addiere $C$ zu beiden Seiten der Gleichung.

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

Schritt 8.3

Multipliziere beide Seiten mit $x$ .

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

Schritt 8.4

Vereinfache.

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Schritt 8.4.1

Vereinfache die linke Seite.

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Schritt 8.4.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor von $x$ .

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Schritt 8.4.1.1.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

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

Schritt 8.4.1.1.2

Forme den Ausdruck um.

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

Schritt 8.4.2

Vereinfache die rechte Seite.

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Schritt 8.4.2.1

Vereinfache $(- \frac{1}{3 x^{3}} + C) x$ .

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Schritt 8.4.2.1.1

Wende das Distributivgesetz an.

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

Schritt 8.4.2.1.2

Kürze den gemeinsamen Faktor von $x$ .

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Schritt 8.4.2.1.2.1

Bringe das führende Minuszeichen in $- \frac{1}{3 x^{3}}$ in den Zähler.

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

Schritt 8.4.2.1.2.2

Faktorisiere $x$ aus $3 x^{3}$ heraus.

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

Schritt 8.4.2.1.2.3

Kürze den gemeinsamen Faktor.

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

Schritt 8.4.2.1.2.4

Forme den Ausdruck um.

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

Schritt 8.4.2.1.3

Vereinfache den Ausdruck.

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Schritt 8.4.2.1.3.1

Ziehe das Minuszeichen vor den Bruch.

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

Schritt 8.4.2.1.3.2

Stelle $- \frac{1}{3 x^{2}}$ und $C x$ um.

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