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Differentialgleichungen mit 2. Ordnung


\(t x'' - (1 + 2t) x' + (1 + t) x = 0\)


Awp : \(x(1) = 0 \)  und \( x'(1) = 2e \)

Ich versuche schon seit einer Stunde diese differentialgleichung zu lösen aber ich kapier einfach nicht was sich falsch mache.

Ich habe auch ein paar meiner Kommilitonen gefragt aber alle meinten ich hätte das falsche Ergebniss.

Kann mir bitte jemand helfen?

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Aloha :)

Du kannst die DGL etwas umformen:$$tx''\pink{-(1+2t)x'}+(1+t)x=0\quad\Longleftrightarrow$$$$tx''\pink{-tx'-(1+t)x'}+(1+t)x=0\quad\Longleftrightarrow$$$$t(x''-x')-(1+t)(x'-x)=0$$

Das ist eine DGL 1-ter Ordnung für die Hilfstfunktion \(\green{h(t)\coloneqq x'(t)-x(t)}\):$$th'-(1+t)h=0\implies th'=(1+t)h\implies\frac{h'}{h}=\frac{1+t}{t}=1+\frac1t\implies$$$$\ln|h|=t+\ln|t|+c_1\implies |h(t)|=e^t\cdot e^{\ln|t|}\cdot e^{c_1}\implies\green{h(t)=e^t\cdot t\cdot c_2}$$Im letzten Schritt haben wir die stets positive Konstante \(e^{c_1}\) durch die Konstante \(c_2\) ersetzt. Wenn wir für diese auch negative Werte zulassen, enfallen die Betragsstriche um \(h(t)\).

Aus der Anfangsbedingung folgt nun \(c_2\):$$h(1)=\left\{\begin{array}{ll}x'(1)-x(1) &=2e\\\green{e^1\cdot1\cdot c_2} & =c_2\cdot e\end{array}\right\}\implies\green{c_2=2}$$

Damit haben wir als Zwischenergebnis:$$\green{x'(t)-x(t)=h(t)=2te^t}$$

Das schreit nach dem Ansatz \(x(t)=f(t)\cdot e^t\), denn:$$x'(t)-x(t)=\underbrace{f'(t)\cdot e^t+f(t)\cdot e^t}_{=x'(t)}-\underbrace{f(t)\cdot e^t}_{=x(t)}=f'(t)\cdot e^t\implies f'(t)=2t$$Also ist \(f(t)=t^2+c_3\) und wir finden als Lösung:$$x(t)=\left(t^2+c_3\right)\cdot e^t$$Wegen der Randbedingung \(x(1)=0\) muss noch \(c_3=-1\) gewählt werden:$$\pink{x(t)=(t^2-1)\cdot e^t}$$

Avatar von 152 k 🚀

Ahhh, war also einfacher als ich dachte.

Ich habe viel zu viel kompliziert gedacht, vermutlich hat es deshalb nicht bei mir funktioniert. Vielen Dank!

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hallo,

Diese DGL kannst Du via Reduktionsmethode von d’Alembert lösen.

Habt Ihr das behandelt?

Ansatz:

x1=e^t

x=μ x1=μ e^t

x'=μ' e^t +μ e^t

x''=μ'' e^t +2μ'e^t +μ e^t

->in die DGL einsetzen: x' und x''

danach:

Setze:

w=u'

w'=u''

danach resubstituieren

Avatar von 121 k 🚀

d’Alembert wurde mal erwähnt aber wir haben nur kurz darüber gesprochen

Oh, ok. Ich werde es mal ausprobieren

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