Analysis Beispiele

$(x^{3} + 4 y) d x + (4 y^{2} + 4 x) d y = 0$

Schritt 1

Ermittle $\frac{\partial M}{\partial y}$ , wenn $M (x, y) = x^{3} + 4 y$ .

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Schritt 1.1

Differenziere $M$ nach $y$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{d}{d y} [x^{3} + 4 y]$

Schritt 1.2

Differenziere.

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Schritt 1.2.1

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $x^{3} + 4 y$ nach $y$ $\frac{d}{d y} [x^{3}] + \frac{d}{d y} [4 y]$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{d}{d y} [x^{3}] + \frac{d}{d y} [4 y]$

Schritt 1.2.2

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

$\frac{\partial M}{\partial y} = 0 + \frac{d}{d y} [4 y]$

Schritt 1.3

Berechne $\frac{d}{d y} [4 y]$ .

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Schritt 1.3.1

Da $4$ konstant bezüglich $y$ ist, ist die Ableitung von $4 y$ nach $y$ gleich $4 \frac{d}{d y} [y]$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = 0 + 4 \frac{d}{d y} [y]$

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 $n = 1$ .

$\frac{\partial M}{\partial y} = 0 + 4 \cdot 1$

Schritt 1.3.3

Mutltipliziere $4$ mit $1$ .

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

Schritt 1.4

Addiere $0$ und $4$ .

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

Schritt 2

Ermittle $\frac{\partial N}{\partial x}$ , wenn $N (x, y) = 4 y^{2} + 4 x$ .

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Schritt 2.1

Differenziere $N$ nach $x$ .

$\frac{\partial N}{\partial x} = \frac{d}{d x} [4 y^{2} + 4 x]$

Schritt 2.2

Differenziere.

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Schritt 2.2.1

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $4 y^{2} + 4 x$ nach $x$ $\frac{d}{d x} [4 y^{2}] + \frac{d}{d x} [4 x]$ .

$\frac{\partial N}{\partial x} = \frac{d}{d x} [4 y^{2}] + \frac{d}{d x} [4 x]$

Schritt 2.2.2

Da $4 y^{2}$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $4 y^{2}$ bezüglich $x$ gleich $0$ .

$\frac{\partial N}{\partial x} = 0 + \frac{d}{d x} [4 x]$

Schritt 2.3

Berechne $\frac{d}{d x} [4 x]$ .

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Schritt 2.3.1

Da $4$ konstant bezüglich $x$ ist, ist die Ableitung von $4 x$ nach $x$ gleich $4 \frac{d}{d x} [x]$ .

$\frac{\partial N}{\partial x} = 0 + 4 \frac{d}{d x} [x]$

Schritt 2.3.2

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

$\frac{\partial N}{\partial x} = 0 + 4 \cdot 1$

Schritt 2.3.3

Mutltipliziere $4$ mit $1$ .

$\frac{\partial N}{\partial x} = 0 + 4$

Schritt 2.4

Addiere $0$ und $4$ .

$\frac{\partial N}{\partial x} = 4$

Schritt 3

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

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Schritt 3.1

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

$4 = 4$

Schritt 3.2

Da gezeigt wurde, dass die beiden Seiten äquivalent sind, ist die Gleichung eine Identitätsgleichung.

$4 = 4$ ist eine Identitätsgleichung.

Schritt 4

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

$f (x, y) = \int x^{3} + 4 y d x$

Schritt 5

Integriere $M (x, y) = x^{3} + 4 y$ , um $f (x, y)$ zu finden.

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Schritt 5.1

Zerlege das einzelne Integral in mehrere Integrale.

$f (x, y) = \int x^{3} d x + \int 4 y d x$

Schritt 5.2

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

$f (x, y) = \frac{1}{4} x^{4} + C + \int 4 y d x$

Schritt 5.3

Wende die Konstantenregel an.

$f (x, y) = \frac{1}{4} x^{4} + C + 4 y x + C$

Schritt 5.4

Vereinfache.

$f (x, y) = \frac{1}{4} x^{4} + 4 y x + C$

Schritt 6

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

$f (x, y) = \frac{1}{4} x^{4} + 4 y x + g (y)$

Schritt 7

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

$\frac{\partial f}{\partial y} = 4 y^{2} + 4 x$

Schritt 8

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

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Schritt 8.1

Differenziere $f$ nach $y$ .

$\frac{d}{d y} [\frac{1}{4} x^{4} + 4 y x + g (y)] = 4 y^{2} + 4 x$

Schritt 8.2

Differenziere.

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Schritt 8.2.1

Gemäß der Summenregel ist die Ableitung von $\frac{1}{4} x^{4} + 4 y x + g (y)$ nach $y$ $\frac{d}{d y} [\frac{1}{4} x^{4}] + \frac{d}{d y} [4 y x] + \frac{d}{d y} [g (y)]$ .

$\frac{d}{d y} [\frac{1}{4} x^{4}] + \frac{d}{d y} [4 y x] + \frac{d}{d y} [g (y)] = 4 y^{2} + 4 x$

Schritt 8.2.2

Da $\frac{1}{4} x^{4}$ konstant bezüglich $y$ ist, ist die Ableitung von $\frac{1}{4} x^{4}$ bezüglich $y$ gleich $0$ .

$0 + \frac{d}{d y} [4 y x] + \frac{d}{d y} [g (y)] = 4 y^{2} + 4 x$

Schritt 8.3

Berechne $\frac{d}{d y} [4 y x]$ .

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Schritt 8.3.1

Da $4 x$ konstant bezüglich $y$ ist, ist die Ableitung von $4 y x$ nach $y$ gleich $4 x \frac{d}{d y} [y]$ .

$0 + 4 x \frac{d}{d y} [y] + \frac{d}{d y} [g (y)] = 4 y^{2} + 4 x$

Schritt 8.3.2

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

$0 + 4 x \cdot 1 + \frac{d}{d y} [g (y)] = 4 y^{2} + 4 x$

Schritt 8.3.3

Mutltipliziere $4$ mit $1$ .

$0 + 4 x + \frac{d}{d y} [g (y)] = 4 y^{2} + 4 x$

Schritt 8.4

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

$0 + 4 x + \frac{d g}{d y} = 4 y^{2} + 4 x$

Schritt 8.5

Vereinfache.

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Schritt 8.5.1

Addiere $0$ und $4 x$ .

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

Schritt 8.5.2

Stelle die Terme um.

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

Schritt 9

Löse nach $\frac{d g}{d y}$ auf.

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Schritt 9.1

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

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Schritt 9.1.1

Subtrahiere $4 x$ von beiden Seiten der Gleichung.

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

Schritt 9.1.2

Vereine die Terme mit entgegengesetztem Vorzeichen in $4 y^{2} + 4 x - 4 x$ .

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Schritt 9.1.2.1

Subtrahiere $4 x$ von $4 x$ .

$\frac{d g}{d y} = 4 y^{2} + 0$

Schritt 9.1.2.2

Addiere $4 y^{2}$ und $0$ .

$\frac{d g}{d y} = 4 y^{2}$

Schritt 10

Bestimme die Stammfunktion von $4 y^{2}$ , um $g (y)$ zu finden.

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Schritt 10.1

Integriere beide Seiten von $\frac{d g}{d y} = 4 y^{2}$ .

$\int \frac{d g}{d y} d y = \int 4 y^{2} d y$

Schritt 10.2

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

$g (y) = \int 4 y^{2} d y$

Schritt 10.3

Da $4$ konstant bezüglich $y$ ist, ziehe $4$ aus dem Integral.

$g (y) = 4 \int y^{2} d y$

Schritt 10.4

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

$g (y) = 4 (\frac{1}{3} y^{3} + C)$

Schritt 10.5

Vereinfache die Lösung.

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Schritt 10.5.1

Schreibe $4 (\frac{1}{3} y^{3} + C)$ als $4 (\frac{1}{3}) y^{3} + C$ um.

$g (y) = 4 (\frac{1}{3}) y^{3} + C$

Schritt 10.5.2

Kombiniere $4$ und $\frac{1}{3}$ .

$g (y) = \frac{4}{3} y^{3} + C$

Schritt 11

Setze $g (y)$ in $f (x, y) = \frac{1}{4} x^{4} + 4 y x + g (y)$ ein.

$f (x, y) = \frac{1}{4} x^{4} + 4 y x + \frac{4}{3} y^{3} + C$

Schritt 12

Vereinfache jeden Term.

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Schritt 12.1

Kombiniere $\frac{1}{4}$ und $x^{4}$ .

$f (x, y) = \frac{x^{4}}{4} + 4 y x + \frac{4}{3} y^{3} + C$

Schritt 12.2

Kombiniere $\frac{4}{3}$ und $y^{3}$ .

$f (x, y) = \frac{x^{4}}{4} + 4 y x + \frac{4 y^{3}}{3} + C$