0 Daumen
611 Aufrufe

Hallo an alle Wissenden hier!

Wir haben über Ostern ein Arbeitsblatt bekommen. Unser Dozent meinte, dass da aber eine unlösbare April-Scherz-Aufgabe drin ist. Ich habe mir alle Aufgaben angesehen und bei allen eine Lösungsidee. Nur bei einer Aufgabe weiß ich keinen Ansatz. Es geht um folgende DGL:

$$f'''(x)/f'(x)=1.5*(f''(x)/f'(x))^2$$

Es ist nicht sehr dringend, ich habe 2 Wochen Zeit zum Bearbeiten. Ich bin aber trotzdem für jeden Tipp dankbar.

..

Avatar von

4 Antworten

+1 Daumen
 
Beste Antwort

Aloha :)

Ich denke, dass das hier nicht die "April-Scherz"-Aufgabe ist. Ich bin mir zwar noch nicht wirklich sicher, ob ich an alles gedacht habe, möchte aber folgenden Lösungsvorschlag zur Diskussion stellen:

$$\left.\frac{f'''(x)}{f'(x)}=\frac{3}{2}\left(\frac{f''(x)}{f'(x)}\right)^2\quad\right|-\frac{3}{2}\left(\frac{f''(x)}{f'(x)}\right)^2$$$$\left.\frac{f'''(x)}{f'(x)}-\frac{3}{2}\left(\frac{f''(x)}{f'(x)}\right)^2=0\quad\right|\text{Bruch auf Hauptnenner bringen}$$$$\left.\frac{2f'''(x)f'(x)-3(f''(x))^2}{2(f'(x))^2}=0\quad\right|\cdot2$$

Nach der Multiplikation beider Seiten mit \(2\) sieht dieser Bruch irgendwie nach der Quotientenregel aus. Dazu kommen die Faktoren \(2\) und \(3\) in Verbindung mit den Ableitungen von Ableitungen (Verdacht auf Kettenregel). Um das "irgendwie" zu konkretisieren, multiplizieren wir beide Seiten der Gleichung mit einem zunächst fürchterlich anmutenden Bruch:

$$\left.\frac{2f'''(x)f'(x)-3(f''(x))^2}{(f'(x))^2}=0\quad\right|\cdot\frac{(f'(x))^2f''(x)}{(f'(x))^4}$$$$\left.\frac{2f'''(x)f''(x)(f'(x))^3-3(f''(x))^3(f'(x))^2}{(f'(x))^6}=0\quad\right|\text{Zähler etwas gruppieren}$$$$\left.\frac{2f'''(x)f''(x)\cdot(f'(x))^3-(f''(x))^2\cdot3f''(x)(f'(x))^2}{(f'(x))^6}=0\quad\right|\text{Ableitungen identifizieren}$$$$\left.\frac{(\,(f''(x))^2\,)'\cdot(f'(x))^3-(f''(x))^2\cdot(\,(f'(x))^3\,)'}{(\,(f'(x))^3\,)^2}=0\quad\right|\text{Quotientenregel "rückwärts"}$$$$\left.\left(\frac{(f''(x))^2}{(f'(x))^3}\right)'=0\quad\right|\text{integrieren}$$$$\left.\frac{(f''(x))^2}{(f'(x))^3}\eqqcolon c_1=\text{const}\quad\right|\sqrt{\cdots}$$$$\left.\frac{f''(x)}{(f'(x))^{3/2}}=\pm\sqrt{c_1}\eqqcolon c_2=\text{const}\quad\right|\text{integrieren}$$$$\left.\frac{-2}{(f'(x))^{1/2}}=c_2\cdot x+c_3\quad\right|c_3=\text{const}\;\big|\;:\,(-2)$$$$\left.\frac{1}{(f'(x))^{1/2}}=-\frac{c_2}{2}\cdot x-\frac{c_3}{2}\quad\right|\text{Kehrwerte}$$$$\left.\sqrt{f'(x)}=\frac{1}{-\frac{c_2}{2}\cdot x-\frac{c_3}{2}}\quad\right|(\cdots)^2$$$$\left.f'(x)=\frac{1}{\left(\frac{c_2}{2}\cdot x+\frac{c_3}{2}\right)^2}\quad\right|\text{integrieren}$$$$\left.f(x)=-\frac{1}{\frac{c_2}{2}\left(\frac{c_2}{2}\cdot x+\frac{c_3}{2}\right)}+c_4\quad\right|c_4=\text{const}$$Mit den neuen Konstanten \(A\coloneqq-\frac{c_2^2}{4}\), \(B\coloneqq-\frac{c_2c_3}{4}\) und \(C\coloneqq c_4\) heißt das:$$f(x)=\frac{1}{Ax+B}+C\quad;\quad A,B,C=\text{const}$$

Avatar von 152 k 🚀

\(\left.\frac{2f'''(x)f'(x)-3(f''(x))^2}{2(f'(x))^2}=0\quad\right.\)

Kann man hier nicht einfach nur den Zähler gleich Null setzen?

\(2f'''(x)f'(x)-3(f''(x))^2=0\)

:-)

Vielen Dank für die ausführliche Erklärung. Ich konnte alle Schritte sehr gut nachvollziehen. Bis auf die Konstanten hast du dasselber raus wie Grosserloewe. Aber schön gedruckt ist das natürlich Luxus.

+1 Daumen

Hallo,

Das ist keine Scherzaufgabe und diese ist lösbar. Die Probe bestätigt die Richtigkeit der Lösungen.

ich habe für f   y  geschrieben:

Setze:

u= f '

u'= f ''

u'' =f '''

blob.png

blob.png

Avatar von 121 k 🚀

Vielen Dank für die ausfühliche Erklärung.

+1 Daumen

Multipliziere mit \(2\big(f^\prime(x)\big)^2\), setze \(g(x):=f^\prime(x)\) und erhalte$$2g^{\prime\prime}(x)g(x)=3\big(g^\prime(x)\big)^2.$$Subtrahiere \(2\big(g^\prime(x)\big)^2\) und dividiere anschließend durch \(-2\big(g^\prime(x)\big)^2\):$$\frac{\big(g^\prime(x)\big)^2-g^{\prime\prime}(x)g(x)}{\big(g^\prime(x)\big)^2}=-\frac12$$$$\frac{\mathrm d}{\mathrm dx}\frac{g(x)}{g^\prime(x)}=\frac{\mathrm d}{\mathrm dx}\left(-\frac x2\right)$$Es ist also$$\frac{g(x)}{g^\prime(x)}=c-\frac x2.$$Löse diese DGL mit einem der bekannten Verfahren, um \(g\) zu erhalten. Integriere \(g\), um \(f\) zu erhalten.

Avatar von 3,7 k
0 Daumen

Das Wolframalpha-Orakel liefert als Lösung


\( f(x)=c_{3}-\frac{c_{2}}{2 c_{1}+x} \)

:-)

Avatar von 47 k

Ein anderes Problem?

Stell deine Frage

Willkommen bei der Mathelounge! Stell deine Frage einfach und kostenlos

x
Made by a lovely community