02.3 – Lösung von Differentialgleichungen

Gegeben ist eine Differentialgleichung der folgenden Form:

<br />
\left( {\frac{{d^2 x}}<br />
{{dt^2 }}} \right)+C \cdot x = 0<br />

  1. Versuchen Sie die allgemeinen Lösungen der Differentialgleichung zu finden. (Hinweis: verwenden Sie den Ansatz x(t) = A0 · eλ t)
  2. Verwenden Sie die Eulersche Relation e^{ \pm i\phi }  = \cos \left( \phi  \right) \pm i\sin \left( \phi  \right) und zeigen Sie, dass sowohl cos als auch sin als auch die Summe cos+sin die Differentialgleichung löst.

Lösung

a )

Die Aufgabe schreiben wir zunächst um:

<br />
\left( {\frac{{d^2 x}}<br />
{{dt^2 }}} \right)+C \cdot x = 0\quad  \Rightarrow \quad \ddot x+C \cdot x = 0<br />

Für x(t) setzen wir:

<br />
x\left( t \right) = A_0  \cdot e^{\lambda  \cdot t}<br />

In der gegebenen Gleichung kommt die zweite Ableitung von x vor. Daher leiten wir auch die eingesetzte Gleichung zwei mal ab:

<br />
\dot x\left( t \right) = \lambda A_0  \cdot e^{\lambda  \cdot t}<br />

<br />
\ddot x\left( t \right) = \lambda ^2 A_0  \cdot e^{\lambda  \cdot t}<br />

Eingesetzt ergibt sich:

<br />
\lambda ^2 A_0  \cdot e^{\lambda  \cdot t} +C \cdot A_0  \cdot e^{\lambda  \cdot t}  = 0<br />

Der Faktor A_0  \cdot e^{\lambda  \cdot t} kommt in beiden Summanden vor. Wir dividieren daher und erhalten:

<br />
\lambda ^2 +C = 0 \Leftrightarrow \lambda  = \sqrt {-C}<br />

Für die negative Wurzel schreiben wir als komplexe Zahl:

<br />
\lambda  =  \pm i \cdot \sqrt C<br />

Diesen Wert für λ setzen wir in die ursprüngliche Gleichung ein:

<br />
x\left( t \right) = A_0  \cdot e^{ \pm i \cdot \sqrt C  \cdot t}<br />

Es sind keine Randbedingungen gegeben, daher kann A0 nicht bestimmt werden. Wir können aber noch das “Plus oder Minus” auflösen, indem wir schreiben:

<br />
x\left( t \right) = A_0  \cdot e^{i \cdot \sqrt C  \cdot t} +A_0  \cdot e^{-i \cdot \sqrt C  \cdot t}<br />

Dies ist erlaubt, da die allgemeine Lösung einer Differentialgleichung die Summe der partiellen Lösungen ist.

b )

Mit der eulerschen Relation formen wir die Lösung von Teilaufgabe a) um:

<br />
x\left( t \right) = A_1 \cdot e^{i\cdot \sqrt C \cdot t} + A_2 \cdot e^{-i\cdot \sqrt C \cdot t}<br />

<br />
x\left( t \right) = A_1  \cdot \left( {\cos \left( {\sqrt C \cdot t} \right)+i \cdot \sin \left( {\sqrt C \cdot t} \right)} \right)<br />

<br />
+ A_2  \cdot \left( {\cos \left( {\sqrt C \cdot t} \right)-i \cdot \sin \left( {\sqrt C \cdot t} \right)} \right)<br />

Nun prüfen wir, ob die gegebenen Ansätze die Differentialgleichung <br />
\ddot x+C \cdot x = 0<br />
lösen. Zunächst der Ansatz mit dem Cosinus:

<br />
x = A_3  \cdot \cos \left( {\sqrt C \cdot t} \right)<br />

Wie bei Teilaufgabe a) leiten wir zwei Mal ab und setzen ein:

<br />
x = A_3  \cdot \cos \left( {\sqrt C \cdot t} \right)<br />

<br />
\dot x = -A_3  \cdot \sin \left( {\sqrt C \cdot t} \right) \cdot \sqrt C<br />

<br />
\ddot x = -A_3  \cdot \cos \left( {\sqrt C \cdot t} \right) \cdot C<br />

<br />
\ddot x+C \cdot x = 0\quad  \Rightarrow \quad -A_3  \cdot \cos \left( {\sqrt C \cdot t} \right) \cdot C+C \cdot A_3  \cdot \cos \left( {\sqrt C \cdot t} \right) = 0<br />

Dies ist eine wahre Aussage, daher löst der Ansatz die Differentialgleichung.

Nun der Ansatz mit dem Sinus:

<br />
x = A_4  \cdot \sin \left( {\sqrt C  \cdot t} \right)<br />

<br />
\dot x = A_4  \cdot \cos \left( {\sqrt C  \cdot t} \right) \cdot \sqrt C<br />

<br />
\ddot x = -A_4  \cdot \sin \left( {\sqrt C  \cdot t} \right) \cdot C<br />

<br />
\ddot x+C \cdot x = 0\quad  \Rightarrow \quad -A_4  \cdot \sin \left( {\sqrt C  \cdot t} \right) \cdot C+C \cdot A_4  \cdot \sin \left( {\sqrt C  \cdot t} \right) = 0<br />

Auch dies ergibt eine wahre Aussage. Der letzte Ansatz:

<br />
x = A_5  \cdot \left( {\sin \left( {\sqrt C  \cdot t} \right)+\cos \left( {\sqrt C  \cdot t} \right)} \right)<br />

<br />
\dot x = A_5  \cdot \left( {\cos \left( {\sqrt C  \cdot t} \right) \cdot \sqrt C -\sin \left( {\sqrt C  \cdot t} \right) \cdot \sqrt C } \right)<br />

<br />
\ddot x = A_5  \cdot \left( {-\sin \left( {\sqrt C  \cdot t} \right) \cdot C-\cos \left( {\sqrt C  \cdot t} \right) \cdot C} \right)<br />

<br />
A_5  \cdot \left( {-\sin \left( {\sqrt C  \cdot t} \right) \cdot C-\cos \left( {\sqrt C  \cdot t} \right) \cdot C} \right)<br />

<br />
+ C \cdot A_5  \cdot \left( {\sin \left( {\sqrt C  \cdot t} \right)+\cos \left( {\sqrt C  \cdot t} \right)} \right) = 0<br />

Wieder eine wahre Aussage.

Ähnliche Artikel

Kommentar verfassen