wobei das Argument x oft weggelassen wird (y

Differentialgleichung erster Ordnung

Eine Differentialgleichung erster Ordnung f¨ ur eine Funktion y (x) hat die Form

y

(x ) = f (x, y(x)) ,

wobei das Argument x oft weggelassen wird (y

= f (x , y)).

Die L¨ osung ist im Allgemeinen nur bis auf eine Konstante bestimmt, die durch eine Anfangsbedingung

y(x

) = y

festgelegt werden kann.

Beispiel:

Differentialgleichung

y

= y

x (1 − y) mit der allgemeinen L¨ osung

y = x

x + c , c ∈ R

y nur bis auf eine Integrationskonstante c bestimmt Konstante durch Anfangswert festgelegt

(vgl. Bilden von Stammfunktionen f (x, y(x)) = g (x)) Anfangswert y (1) = 2

c = − 1

2 , y (x) = 2x 2x − 1 x

= 0 Singularit¨ at

einziger m¨ oglicher Anfangswert y

= 0, L¨ osungsschar nicht eingeschr¨ ankt

Beispiel:

Wachstumsmodell: proportionaler Zuwachs bzw. Abnahme u(t + ∆t) = u(t) + ∆t p u(t)

∆t → 0 Differentialgleichung u

(t) = pu(t) (u

proportional zu u)

L¨ osung

u(t) = u(0) exp(pt )

exponentielles Wachstum

p > 0

p = 0 p < 0 c

u

t

Richtungsfeld

Das Richtungsfeld einer Differentialgleichung y

(x) = f (x, y(x))

ordnet jedem Punkt der xy-Ebene eine Tangente mit Steigung f zu.

(x0, y0)

x y

Die Graphen der L¨ osungen sind in jedem Punkt (x, y ) zum Richtungsfeld tangential.

Ist eine Anfangsbedingung

y(x

) = y

gegeben, so verl¨ auft der Graph durch den Punkt (x

, y

).

Beispiel:

Die Abbildung zeigt zwei Beispiele von Richtungsfeldern, in denen jeweils einige L¨ osungen eingezeichnet sind.

0 5 10

π 2π 3π

x y

y^′= siny

0 1 2 3

1 2 3

x y

y^′=xy²

qualitatives Verhalten der L¨ osungen erkennbar

(i) Linke Differentialgleichung:

Rechte Seite h¨ angt nicht explizit von x ab.

L¨ osungen sind translationsinvariant, d.h. ist y (x) L¨ osung, so auch y (x + c ) mit c ∈ R .

Nullstellen des Sinus konstante L¨ osungen y (x) = j π, j ∈ Z anziehend f¨ ur j = 2k + 1,

d.h. f¨ ur L¨ osungen y y (0) ∈ (2k π, (2k + 2)π) gilt

x

lim

y (x) − (2k + 1)π = 0 abstoßend f¨ ur j = 2k

(ii) Rechte Differentialgleichung:

Die Steigungen nehmen f¨ ur große Werte von x und y deutlich zu.

stark wachsende L¨ osungen

F¨ ur y (0) > 0 existiert jede L¨ osung nur auf einem endlichen Intervall.