Lsg. der partiellen DGL?

2 Antworten

Von Experte TBDRM bestätigt

Den Ansatz hast du ja bereits geschrieben:

y(x,t) = X(x)*T(t)

Die partiellen Ableitungen folgen damit zu:

y_t(x,t) = X(x)*dT/dt

y_x(x,t) = dX/dx * T(t)

Einsetzen in die ursprüngliche partielle DGL liefert

X(x)*dT/dt - (x^2 + 1)*dX/dx * T(t) = 0

Ziel ist nun eine Seperation in Teile die nur noch von t abhängen und Teile die von x abhängen. Es folgt durch Division:

(dT/dt)/T(t) - (x^2 + 1)*(dX/dx)/X(x) = 0

Es sollte auffallen, dass der erste Summand nur von t abhängt und der zweite nur von x. Damit diese Gleichung also für alle x und t erfüllt ist müssen folgende Bedingungen für alle x und t simultan gelten:

(i) (dT/dt)/T(t) = 0

(ii) (x^2 + 1)*(dX/dx)/X(x) = 0

Für (i) folgt schnell:

(iii) (dT/dt)/T(t) = 0 --> d(log(T(t)))/dt = 0 --> log(T(t)) = log(c1) --> T(t) = c1

Für (ii) beachte, dass (x² + 1) > 0 für alle x gilt, sodass analog folgt

(iv) (dX/dx)/X(x) = 0 --> d(log(X(x)))/dx = 0 --> log(X(x)) = log(c2) --> X(x) = c2

Die einzige Lösung der gegeben Gestalt ist also die konstante Lösung mit:

y(x,t) = X(x)*T(t) = c2 * c1

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – Studium der Elektrotechnik (Energie, Automatisierung)

TBDRM  21.07.2024, 21:59
Damit diese Gleichung also für alle x und t erfüllt ist müssen folgende Bedingungen für alle x und t simultan gelten:
(i) (dT/dt)/T(t) = 0
(ii) (x^2 + 1)*(dX/dx)/X(x) = 0

Bei beiden Gleichungen muss rechts nur eine konstante Zahl stehen. Sie müssen aber nicht null sein.

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Ich mache mal weiter bei dem aufgestellten DGL-System wie es @poseidon42 schon gemacht hat, nur etwas allgemeiner. Rechts der Gleichungen muss nämlich nicht zwingend 0 stehen, sondern allgemein müssen beide Ausdrücke konstant sein.

(i) (dT/dt)/T(t) = k

(ii) (x^2 + 1)*(dX/dx)/X(x) = k

mit einer konstanten Zahl k.

Durch Integration folgen die Vorschriften

(i) T(t) = č e^(k t)

(ii) X(x) = ĉ e^(k arctan(x))

mit Integrationskonsten č und ĉ.

Ohne jegliche Anfangs-/End-/Randwerte lässt sich nur die allgemeine Lösung angeben, nämlich

y(x, t) = C e^(k (t + arctan(x))

mit einem beliebigen C (= č • ĉ) und k.

Woher ich das weiß:Hobby – Mathematik (u. Physik)