Esimerkit : Separoituvat ja niihin palautuvat yhtälöt

Toisen kertaluvun yhtälön muuntaminen normaaliryhmäksi ja ratkaiseminen separoimalla

Autonomista toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöä yy'' = y'2 + yy' vastaava normaaliryhmä on

  y'=  dy-=  z,
{      dx
       dz    z2 + yz
  z'=  ---=  -------.
       dx       y

Jos yhtälöt jaetaan puolittain ja differentiaaliosamäärämerkinnöistä supistetaan dx pois, päädytään yhtälöön

dz
---
dy = z2 + yz
--------
   yz,

joka riippuu vain muuttujista y ja z. Sitä voidaan siis pitää differentiaaliyhtälönä, joka määrää näiden välisen riippuvuuden.

Sijoituksella u(y) = z(y)/y yhtälö voidaan palauttaa separoituvaksi. Koska z = uy, on dz
dy= ydu
dy + u. Tällöin yhtälö saa muodon

ydu
---
dy + u = u + 1  eli  du = dy
---
y.

Integroimalla puolittain saadaan u = ln|C1y|, jolloin integroimisvakio on kirjoitettu muotoon ln |C1|. (Miksi näin voidaan tehdä rajoittamatta vakion arvoja?) Koska u = z/y, saadaan muuttujien y ja z väliseksi riippuvuudeksi z = y ln|C1y|. Kyseessä on normaaliryhmän ratkaisujen faasitasoesitysten yhtälö.

Normaaliryhmän ensimmäisen yhtälön mukaan on nyt

y' = dy-
dx = y ln|C1y|,

mikä on jälleen separoituva yhtälö. Separoimalla saadaan

dx = ---dy----
yln|C y|
     1

ja puolittain integroimalla

x + C2 = ln|ln|C1y||.

Ratkaisemalla y:n suhteen ja sieventämällä saadaan alkuperäisen differentiaaliyhtälön yleinen ratkaisu

y = D1eD2ex ,

missä on otettu käyttöön uudet vakiot D1 = 1/C1 ja D2 = ±eC2.


Ratkaiseminen: palauttaminen ensimmäiseen kertalukuun
Ratkaiseminen: separoituva yhtälö
Ratkaiseminen: separoituvaan palautuva ensimmäisen kertaluvun yhtälö
Teoria: normaaliryhmä
Teoria: autonominen yhtälö
Teoria: faasitaso

SKK 15.5.2001