Warum funktioniert die Trennung von Variablen zur Lösung von Differentialgleichungen? [Duplikat]

Wenn diese einfache Differentialgleichung und eine Bedingung gegeben sind,

D j D X = e 2 X j , C 1 : j ( 0 ) = 0

Unter Verwendung der Trennung von Variablen,

D j D X = e 2 X e j   D j e j = e 2 X   D X

e j   D j = e 2 X   D X   e j = e 2 X 2 + C

Auflösen nach c ,

e 0 = e 2 ( 0 ) 2 + C   1 = 1 2 + C

C = 1 2

Auflösen nach y ,

e j = e 2 X 2 + 1 2   e j = 1 2 ( e 2 X + 1 )

j = ln ( 1 2 ) + ln ( e 2 X + 1 )

Endlich,

j = ln ( e 2 X + 1 ) ln ( 2 )

Frage: Im obigen Beispiel können wir sehen, dass die Methode der Variablentrennung tatsächlich bei der Lösung unserer Differentialgleichung funktioniert, aber warum? Was passiert eigentlich bei der Methode der Variablentrennung?

Nur ein Kommentar, die Bücher über mathematische Physik von Morse und Feshbach enthalten die umfassendste Diskussion von Trennvariablen, die ich gesehen habe. Eine großartige Lektüre!

Antworten (1)

Die Trennung von Variablen beginnt wirklich mit Folgendem:

j ' ( X ) = F ( X ) G ( j ) , j ( X 0 ) = j 0 X 0 X j ' ( T ) G ( j ( T ) ) D T = X 0 X F ( T ) D T .

Auf der linken Seite verwenden Sie nun die Integration durch Substitution (was, wie Sie sich vielleicht erinnern, letztendlich eine Kombination aus der Kettenregel und dem Fundamentalsatz der Analysis ist), um zu erhalten

j 0 j 1 G ( u ) D u = X 0 X F ( T ) D T .

So erhalten Sie H ( j ) H ( j 0 ) = F ( X ) F ( X 0 ) Wo H ist eine Stammfunktion von 1 / G Und F ist eine Stammfunktion von F . Vorausgesetzt G hat immer ein Zeichen dazwischen j 0 Und j , Du kannst schreiben j = H 1 ( H ( j 0 ) + F ( X ) F ( X 0 ) ) .

Das Trennen von Differentialen ist ein Notationstrick, der letztendlich dasselbe bewirkt wie diese Berechnung.