Analysis Beispiele

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

Schritt 1

Ermittle $\frac{\partial M}{\partial y}$ , wenn $M (x, y) = 3 x - 2 y^{2}$ .

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Schritt 1.1

Differenziere $M$ nach $y$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{d}{d y} [3 x - 2 y^{2}]$

Schritt 1.2

Differenziere.

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Schritt 1.2.1

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $3 x - 2 y^{2}$ nach $y$ $\frac{d}{d y} [3 x] + \frac{d}{d y} [- 2 y^{2}]$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{d}{d y} [3 x] + \frac{d}{d y} [- 2 y^{2}]$

Schritt 1.2.2

Da $3 x$ konstant bezüglich $y$ ist, ist die Ableitung von $3 x$ bezüglich $y$ gleich $0$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = 0 + \frac{d}{d y} [- 2 y^{2}]$

Schritt 1.3

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

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Schritt 1.3.1

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

$\frac{\partial M}{\partial y} = 0 - 2 \frac{d}{d y} [y^{2}]$

Schritt 1.3.2

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

$\frac{\partial M}{\partial y} = 0 - 2 (2 y)$

Schritt 1.3.3

Mutltipliziere $2$ mit $- 2$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = 0 - 4 y$

Schritt 1.4

Subtrahiere $4 y$ von $0$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = - 4 y$

Schritt 2

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

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Schritt 2.1

Differenziere $N$ nach $x$ .

$\frac{\partial N}{\partial x} = \frac{d}{d x} [- 2 x y]$

Schritt 2.2

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

$\frac{\partial N}{\partial x} = - 2 y \frac{d}{d x} [x]$

Schritt 2.3

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

$\frac{\partial N}{\partial x} = - 2 y \cdot 1$

Schritt 2.4

Mutltipliziere $- 2$ mit $1$ .

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

Schritt 3

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

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Schritt 3.1

Setze $- 4 y$ für $\frac{\partial M}{\partial y}$ und $- 2 y$ für $\frac{\partial N}{\partial x}$ ein.

$- 4 y = - 2 y$

Schritt 3.2

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

$- 4 y = - 2 y$ ist keine Identitätsgleichung.

Schritt 4

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 4.1

Ersetze $\frac{\partial M}{\partial y}$ durch $- 4 y$ .

$\frac{- 4 y - \frac{\partial N}{\partial x}}{N}$

Schritt 4.2

Ersetze $\frac{\partial N}{\partial x}$ durch $- 2 y$ .

$\frac{- 4 y - (- 2 y)}{N}$

Schritt 4.3

Ersetze $N$ durch $- 2 x y$ .

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Schritt 4.3.1

Ersetze $N$ durch $- 2 x y$ .

$\frac{- 4 y - (- 2 y)}{- 2 x y}$

Schritt 4.3.2

Vereinfache den Zähler.

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Schritt 4.3.2.1

Faktorisiere $y$ aus $- 4 y - (- 2 y)$ heraus.

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Schritt 4.3.2.1.1

Faktorisiere $y$ aus $- 4 y$ heraus.

$\frac{y \cdot - 4 - (- 2 y)}{- 2 x y}$

Schritt 4.3.2.1.2

Faktorisiere $y$ aus $- (- 2 y)$ heraus.

$\frac{y \cdot - 4 + y (- (- 2))}{- 2 x y}$

Schritt 4.3.2.1.3

Faktorisiere $y$ aus $y \cdot - 4 + y (- (- 2))$ heraus.

$\frac{y (- 4 - (- 2))}{- 2 x y}$

Schritt 4.3.2.2

Mutltipliziere $- 1$ mit $- 2$ .

$\frac{y (- 4 + 2)}{- 2 x y}$

Schritt 4.3.2.3

Addiere $- 4$ und $2$ .

$\frac{y \cdot - 2}{- 2 x y}$

Schritt 4.3.3

Kürze den gemeinsamen Faktor von $y$ .

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Schritt 4.3.3.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

$\frac{y \cdot - 2}{- 2 x y}$

Schritt 4.3.3.2

Forme den Ausdruck um.

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

Schritt 4.3.4

Kürze den gemeinsamen Faktor von $- 2$ .

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Schritt 4.3.4.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

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

Schritt 4.3.4.2

Forme den Ausdruck um.

$\frac{1}{x}$

Schritt 4.4

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 5

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

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Schritt 5.1

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

$μ (x, y) = e^{\ln (| x |) + C}$

Schritt 5.2

Vereinfache die Lösung.

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Schritt 5.2.1

Vereinfache.

$μ (x, y) = e^{\ln (| x |)} + C$

Schritt 5.2.2

Exponentialfunktion und Logarithmusfunktion sind zueinander inverse Funktionen.

$μ (x, y) = | x | + C$

Schritt 6

Multipliziere beide Seiten von $(3 x - 2 y^{2}) d x - 2 x y d y = 0$ mit dem Integrationsfaktor $x$ .

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Schritt 6.1

Mutltipliziere $3 x - 2 y^{2}$ mit $x$ .

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

Schritt 6.2

Wende das Distributivgesetz an.

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

Schritt 6.3

Multipliziere $x$ mit $x$ durch Addieren der Exponenten.

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Schritt 6.3.1

Bewege $x$ .

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

Schritt 6.3.2

Mutltipliziere $x$ mit $x$ .

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

Schritt 6.4

Mutltipliziere $- 2 x y$ mit $x$ .

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

Schritt 6.5

Multipliziere $x$ mit $x$ durch Addieren der Exponenten.

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Schritt 6.5.1

Bewege $x$ .

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

Schritt 6.5.2

Mutltipliziere $x$ mit $x$ .

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

Schritt 7

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

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

Schritt 8

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

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Schritt 8.1

Da $- 2 x^{2}$ konstant bezüglich $y$ ist, ziehe $- 2 x^{2}$ aus dem Integral.

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

Schritt 8.2

Gemäß der Potenzregel ist das Integral von $y$ nach $y$ gleich $\frac{1}{2} y^{2}$ .

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

Schritt 8.3

Vereinfache die Lösung.

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Schritt 8.3.1

Schreibe $- 2 x^{2} (\frac{1}{2} y^{2} + C)$ als $- 2 x^{2} \frac{1}{2} y^{2} + C$ um.

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

Schritt 8.3.2

Vereinfache.

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Schritt 8.3.2.1

Kombiniere $- 2$ und $\frac{1}{2}$ .

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

Schritt 8.3.2.2

Kombiniere $x^{2}$ und $\frac{- 2}{2}$ .

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

Schritt 8.3.2.3

Bringe $- 2$ auf die linke Seite von $x^{2}$ .

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

Schritt 8.3.2.4

Kürze den gemeinsamen Teiler von $- 2$ und $2$ .

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Schritt 8.3.2.4.1

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

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

Schritt 8.3.2.4.2

Kürze die gemeinsamen Faktoren.

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Schritt 8.3.2.4.2.1

Faktorisiere $2$ aus $2$ heraus.

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

Schritt 8.3.2.4.2.2

Kürze den gemeinsamen Faktor.

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

Schritt 8.3.2.4.2.3

Forme den Ausdruck um.

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

Schritt 8.3.2.4.2.4

Dividiere $- x^{2}$ durch $1$ .

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

Schritt 9

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

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

Schritt 10

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

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

Schritt 11

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

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Schritt 11.1

Differenziere $f$ nach $x$ .

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

Schritt 11.2

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

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

Schritt 11.3

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

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Schritt 11.3.1

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

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

Schritt 11.3.2

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

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

Schritt 11.3.3

Mutltipliziere $2$ mit $- 1$ .

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

Schritt 11.4

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

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

Schritt 11.5

Stelle die Terme um.

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

Schritt 12

Löse nach $\frac{d g}{d x}$ auf.

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Schritt 12.1

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

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Schritt 12.1.1

Addiere $2 y^{2} x$ zu beiden Seiten der Gleichung.

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

Schritt 12.1.2

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

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Schritt 12.1.2.1

Addiere $- 2 y^{2} x$ und $2 y^{2} x$ .

$\frac{d g}{d x} = 3 x^{2} + 0$

Schritt 12.1.2.2

Addiere $3 x^{2}$ und $0$ .

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

Schritt 13

Bestimme die Stammfunktion von $3 x^{2}$ , um $g (x)$ zu finden.

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Schritt 13.1

Integriere beide Seiten von $\frac{d g}{d x} = 3 x^{2}$ .

$\int \frac{d g}{d x} d x = \int 3 x^{2} d x$

Schritt 13.2

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

$g (x) = \int 3 x^{2} d x$

Schritt 13.3

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

$g (x) = 3 \int x^{2} d x$

Schritt 13.4

Gemäß der Potenzregel ist das Integral von $x^{2}$ nach $x$ gleich $\frac{1}{3} x^{3}$ .

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

Schritt 13.5

Vereinfache die Lösung.

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Schritt 13.5.1

Schreibe $3 (\frac{1}{3} x^{3} + C)$ als $3 (\frac{1}{3}) x^{3} + C$ um.

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

Schritt 13.5.2

Vereinfache.

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Schritt 13.5.2.1

Kombiniere $3$ und $\frac{1}{3}$ .

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

Schritt 13.5.2.2

Kürze den gemeinsamen Faktor von $3$ .

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Schritt 13.5.2.2.1

Kürze den gemeinsamen Faktor.

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

Schritt 13.5.2.2.2

Forme den Ausdruck um.

$g (x) = 1 x^{3} + C$

Schritt 13.5.2.3

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

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

Schritt 14

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

$f (x, y) = - x^{2} y^{2} + x^{3} + C$