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Aufgabe:

Ermitteln Sei die Lösung des Anfangswertproblems.

y' = 1+ \(\frac y{2x+1} \)   y(4)=11


Problem/Ansatz:

y' = Das Anfangswertproblem erster Ordnung. Aber was bedeutet Y(4)=11 und wie sieht die Berechnung aus. Für nachvollziehbare Hilfe wäre ich sehr dankbar.

Gruß

HorstFabian

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Lautet die Aufgabe so:

\( y^{\prime}(x)=1+\frac{y(x)}{2 x+1} \)


Nein, sie ist tatsächlich so gestellt, wie ich sie angegeben habe.

aber das ist doch genau das Gleiche.

Ja, du hast Recht aber das hilft mir trotzdem nicht wirklich weiter.

jetzt hab ich es gerechnet

2 Antworten

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Hallo,

Diese DGL kannst Du via Variation der Konstanten lösen .

y(4)=11 ist der Anfangswert , den setzte Du in die Lösung der DGL ein.


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Aloha :)

Wir lösen also zuerst die homogene DGL:

$$\left.y'=\frac{y}{2x+1}\quad\right|\colon y$$$$\left.\frac{y'}{y}=\frac{1}{2x+1}\quad\right|\text{beide Seiten integrieren}$$$$\left.\ln|y|= \frac12\ln|2x+1|+c_1\quad\right.$$Darin ist \(c_1\) eine Integrationskonstante. Ziehen wir noch den Faktor \(\frac12\) als Exponent unter den Logarithmus:$$\frac12\ln\left|2x+1\right|=\ln\left(\left|2x+1\right|^{\frac12}\right)=\ln\sqrt{2x+1}$$können wir weiter vereinfachen:$$\left.\ln|y|=\ln\sqrt{2x+1}+c_1\quad\right|e^{\cdots}$$$$y=e^{\ln\sqrt{2x+1}+c_1}=e^{\ln\sqrt{2x+1}}\cdot e^{c_1}=e^{c_1}\cdot\sqrt{2x+1}$$Da \(c_1\) konstant ist, muss auch \(e^{c_1}\) konstant sein, sodass wir eine neue Konstante \(c_2\coloneqq e^{c_1}\) einführen können:$$y=c_2\cdot\sqrt{2x+1}$$

Diese Lösung setzen wir nun in die ursprüngliche DGL ein, lassen aber zu, dass die "Konstante" \(c_2\) nun von \(x\) abhängt, dass also \(c_2=c_2(x)\) gilt:

$$\left.\left(c_2(x)\cdot\sqrt{2x+1}\right)'=1+\frac{c_2(x)\cdot\sqrt{2x+1}}{2x+1}\quad\right|\text{links differenzieren}$$$$\left.c_2'(x)\cdot\sqrt{2x+1}+\frac{c_2(x)}{\sqrt{2x+1}}=1+\frac{c_2(x)\cdot\sqrt{2x+1}}{2x+1}\quad\right|\text{rechts vereinfachen}$$$$\left.c_2'(x)\cdot\sqrt{2x+1}+\frac{c_2(x)}{\sqrt{2x+1}}=1+\frac{c_2(x)}{\sqrt{2x+1}}\quad\right|-\frac{c_2(x)}{\sqrt{2x+1}}$$$$\left.c_2'(x)\cdot\sqrt{2x+1}=1\quad\right|\colon\sqrt{2x+1}$$$$\left.c_2'(x)=\frac1{\sqrt{2x+1}}=\left(2x+1\right)^{-\frac12}\quad\right|\text{rechts integrieren}$$$$c_2(x)=\left(2x+1\right)^{\frac12}+c=\sqrt{2x+1}+c$$wobei \(c=\text{const}\) wieder eine Integrationskonstante ist.

Damit haben wir die allgemeine Lösung der DGL gefunden:$$y(x)=\underbrace{\left(\sqrt{2x+1}+c\right)}_{=c_2(x)}\cdot\sqrt{2x+1}=2x+1+c\cdot\sqrt{2x+1}$$Die Konstante \(c\) folgt aus dem Anfangswert:$$11=y(4)=9+c\sqrt{9}=9+3c\implies 3c=2\implies c=\frac23$$Die Lösung des konkreten Anfangswertproblems lautet also:$$y(x)=2x+1+\frac23\sqrt{2x+1}$$

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