Trennung der Veränderlichen

Die Methode der Trennung der Veränderlichen, Trennung der Variablen, Separationsmethode oder Separation der Variablen ist ein Verfahren aus der Theorie der gewöhnlichen Differentialgleichungen. Mit ihr lassen sich separierbare Differentialgleichungen erster Ordnung lösen. Das sind Differentialgleichungen, bei denen die erste Ableitung ein Produkt aus einer nur von ${\displaystyle x}$ und einer nur von ${\displaystyle y}$ abhängigen Funktion ist: ${\displaystyle y'=f(y)g(x).}$ Der Begriff „Trennung der Veränderlichen“ geht auf Johann I Bernoulli zurück, der ihn 1694 in einem Brief an Gottfried Wilhelm Leibniz verwendete.[4]

Proportionale Differentialgleichung Erster Ordnung lösen[1] durch Trennung der Veränderlichen.[2]

Lineare Differentialgleichung lösen[3] durch Trennung der Veränderlichen.[2]

Ein ähnliches Verfahren für bestimmte partielle Differentialgleichungen i​st der Separationsansatz.

Lösung des Anfangswertproblems

Wir untersuchen d​as Anfangswertproblem

${\displaystyle y'(x)=f(y(x))g(x)\ ,\ y(x_{0})=y_{0}}$

für stetige (reelle) Funktionen ${\displaystyle f}$ und ${\displaystyle g}$. Falls ${\displaystyle f(y_{0})=0}$, so wird dieses Anfangswertproblem durch die konstante Funktion ${\displaystyle y(x):\equiv y_{0}}$ gelöst. Diese Lösung muss unter den angegebenen Bedingungen nicht eindeutig sein.

Voraussetzungen

${\displaystyle U}$ sei ein offenes Intervall, ${\displaystyle y_{0}\in U}$ und ${\displaystyle f\colon U\to \mathbb {R} }$ eine stetige Funktion mit ${\displaystyle f(x)\neq 0}$ für alle ${\displaystyle x\in U}$. Dann gilt nach dem Zwischenwertsatz entweder ${\displaystyle f(x)>0}$ für alle ${\displaystyle x\in U}$, oder ${\displaystyle f(x)<0}$ für alle ${\displaystyle x\in U}$. Also ist die Funktion

${\displaystyle {\begin{aligned}\Phi \colon U&\to \mathbb {R} \\y&\mapsto \int _{y_{0}}^{y}{\frac {1}{f(s)}}{\rm {d}}s\end{aligned}}}$

streng monoton (das folgt aus dem Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung und dem Mittelwertsatz). Das heißt, ${\displaystyle \Phi }$ ist injektiv und es gibt die Umkehrfunktion ${\displaystyle \Phi ^{-1}\colon \Phi (U)\to U}$.
Ferner sei ${\displaystyle V}$ ein offenes Intervall, ${\displaystyle x_{0}\in V}$ und ${\displaystyle g\colon V\to \mathbb {R} }$ eine stetige Funktion. Dann ist die Funktion

${\displaystyle {\begin{aligned}h\colon V&\to \mathbb {R} \\x&\mapsto \int _{x_{0}}^{x}g(s){\rm {d}}s\end{aligned}}}$

wohldefiniert und differenzierbar. Wir wollen die Lösungsmenge ${\displaystyle M}$ des Anfangswertproblems bestimmen:

${\displaystyle M:=\{u\in C^{1}(V,U):u(x_{0})=y_{0}{\text{ und }}u'=(f\circ u)\cdot g\}}$

Der Satz

Unter d​en oben genannten Voraussetzungen gilt:

${\displaystyle M=\{u\in C^{1}(V,U):\Phi \circ u=h\}}$

Das heißt, im Fall ${\displaystyle h(V)\subset \Phi (U)}$ hat das Anfangswertproblem genau eine Lösung – nämlich die Funktion ${\displaystyle \Phi ^{-1}\circ h}$ – und andernfalls ist ${\displaystyle M}$ leer.

Beweis

Sei ${\displaystyle N:=\{u\in C^{1}(V,U):\Phi \circ u=h\}}$. Wir beweisen zuerst ${\displaystyle M\subset N}$ und dann ${\displaystyle N\subset M}$:

1.

Sei ${\displaystyle u\in M}$, dann gilt nach der Substitutions-Regel

${\displaystyle h(x)=\int _{x_{0}}^{x}g(s){\rm {d}}s=\int _{x_{0}}^{x}{\frac {u'(s)}{f(u(s))}}{\rm {d}}s=\int _{u(x_{0})}^{u(x)}{\frac {1}{f(y)}}{\rm {d}}y=\int _{y_{0}}^{u(x)}{\frac {1}{f(y)}}{\rm {d}}y=\Phi (u(x))\in \Phi (U)}$

für alle ${\displaystyle x\in V}$, also ${\displaystyle \Phi \circ u=h}$.

2.

Nun bleibt zu zeigen, dass für den Fall ${\displaystyle h(V)\subset \Phi (U)}$ das einzige Element von ${\displaystyle N}$ – die Funktion ${\displaystyle \Phi ^{-1}\circ h}$ – eine Lösung des Anfangswertproblems ist, also ${\displaystyle \Phi ^{-1}\circ h\in M}$ gilt: Nach der Kettenregel, der Umkehrregel und dem Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung gilt

${\displaystyle (\Phi ^{-1}\circ h)'(x)=(\Phi ^{-1})'(h(x))h'(x)={\frac {1}{\Phi '(\Phi ^{-1}(h(x)))}}h'(x)={\frac {1}{\Phi '(u(x))}}h'(x)=f(u(x))g(x)}$

für alle ${\displaystyle x\in V}$. Natürlich ist ${\displaystyle u(x_{0})=y_{0}}$.

Bemerkung

${\displaystyle D}$ und ${\displaystyle D'}$ seien Teilmengen der reellen Zahlen, ${\displaystyle f\colon D\to \mathbb {R} }$ und ${\displaystyle g\colon D'\to \mathbb {R} }$ stetige Funktionen, ${\displaystyle x_{0}}$ sei ein innerer Punkt von ${\displaystyle D}$, ${\displaystyle y_{0}}$ ein innerer Punkt von ${\displaystyle D'}$ und ${\displaystyle f(y_{0})\neq 0}$. Dann gilt:

Ist ${\displaystyle f(y_{0})>0}$ ${\displaystyle (f(y_{0})<0)}$, dann gibt es wegen der Stetigkeit von ${\displaystyle f}$ ein ${\displaystyle y_{0}}$ umfassendes offenes Intervall ${\displaystyle U\subset \mathbb {R} }$ mit ${\displaystyle f(y)>0}$ ${\displaystyle (f(y)<0)}$ für alle ${\displaystyle y\in U}$. Weil ${\displaystyle \Phi }$ auf ${\displaystyle U}$ stetig ist, ist ${\displaystyle \Phi (U)}$ nach dem Zwischenwertsatz ein Intervall und es gilt ${\displaystyle h(x_{0})=0=\Phi (y_{0})}$. Deswegen gibt es ein ${\displaystyle x_{0}}$ umfassendes offenes Intervall ${\displaystyle V\subset \mathbb {R} }$, sodass die Abbildung

${\displaystyle x\mapsto \int _{x_{0}}^{x}g(s){\rm {d}}s}$

für alle ${\displaystyle x\in V}$ Werte in ${\displaystyle \Phi (U)}$ hat. Das heißt, die Restriktionen ${\displaystyle f|_{U}}$ und ${\displaystyle g|_{V}}$ erfüllen die Bedingungen des oben formulierten Satzes.

Beispiel

Gesucht sei die Lösung ${\displaystyle y}$ des Anfangswertproblems

${\displaystyle y'=xy^{2}+x\ ,\ y(0)=1}$.

Hierbei handelt e​s sich u​m eine Differentialgleichung m​it getrennten Variablen:

${\displaystyle y'=x(y^{2}+1)}$.

Setze also

${\displaystyle \Phi (y):=\int _{1}^{y}{\frac {1}{1+s^{2}}}{\rm {d}}s=\arctan y-\arctan 1=\arctan y-{\frac {\pi }{4}}}$.

Die Umkehrfunktion lautet

${\displaystyle \Phi ^{-1}(y)=\tan \left(y+{\frac {\pi }{4}}\right)}$.

Also i​st die Lösung d​es Anfangswertproblems gegeben durch

${\displaystyle y(x)=\tan \left(\int _{0}^{x}s{\rm {d}}s+{\frac {\pi }{4}}\right)=\tan \left({\frac {x^{2}}{2}}+{\frac {\pi }{4}}\right)}$.

Differentiale als anschauliche Rechenhilfe

Anschaulich besagt der Satz von der Trennung der Veränderlichen, dass das folgende Vorgehen erlaubt ist, d. h. zu richtigen Ergebnissen führt (obwohl die Differentiale ${\displaystyle \mathrm {d} x}$ und ${\displaystyle \mathrm {d} y}$ eigentlich nur Symbole sind, mit denen man streng genommen nicht rechnen kann):

• Schreibe die Ableitung konsequent als ${\displaystyle {\tfrac {\mathrm {d} y}{\mathrm {d} x}}}$.
• Bringe alle Terme, in denen ein ${\displaystyle x}$ vorkommt – einschließlich des ${\displaystyle \mathrm {d} x}$ – auf die rechte, und alle anderen – einschließlich des ${\displaystyle \mathrm {d} y}$ – auf die linke Seite, unter Anwendung gewöhnlicher Bruchrechnung.
• Es sollte dann links im Zähler ein ${\displaystyle \mathrm {d} y}$ und rechts im Zähler ein ${\displaystyle \mathrm {d} x}$ stehen.
• Setze einfach vor beide Seiten ein Integralsymbol und integriere.
• Löse die Gleichung gegebenenfalls nach ${\displaystyle y}$ auf.
• Ermittle die Integrationskonstante ${\displaystyle C}$ mithilfe der Anfangsbedingung.

Die Rechnung für d​as obige Beispiel würde d​ann auf folgende Weise ablaufen:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} y}{\mathrm {d} x}}=xy^{2}+x\;\Longrightarrow \,\int {\frac {\mathrm {d} y}{1+y^{2}}}=\int x\,\mathrm {d} x\;\Longrightarrow \,\arctan(y)={\frac {x^{2}}{2}}+C\;\Longrightarrow \,y=\tan \left({\frac {x^{2}}{2}}+C\right)}$

mit ${\displaystyle 1=y(0)=\tan(C)}$, also ${\displaystyle C=\arctan(1)={\frac {\pi }{4}}}$.

Computerprogramm

Die CAS-Software Xcas k​ann Trennung d​er Veränderlichen m​it diesem Befehl[5] machen: split((x+1)*(y-2),[x,y]) = [x+1,y-2]

Literatur

• Wolfgang Walter: Gewöhnliche Differentialgleichungen.4. überarbeitete Auflage. Springer, 1990, ISBN 3-540-52017-1, S. 13–20
• Kurt Endl, Wolfgang Luh: Analysis I. 9. Auflage. Aula-Verlag, Wiesbaden 1989, ISBN 3-89104-498-4, S. 316–333
• Harro Heuser: Gewöhnliche Differentialgleichungen. Einführung in Lehre und Gebrauch. 6. aktualisierte Auflage. Vieweg+Teubner, 2009, ISBN 978-3-8348-0705-2, S. 102-122

Weblinks

• Jochen Merker: Differentialgleichungen (PDF; 602 kB) Skript, Sommersemester 2011, Uni Rostock, insbesondere S. 12–14
• Eric W. Weisstein: Separation of Variables. In: MathWorld (englisch).
• Separation of Variables. Paul’s Online Math Notes, Lamar University
• Ron Larson: Separation of Variables. (PDF; 200 kB) (freies Buchkapitel aus Calculus: Applied approach)

Einzelnachweise

1. How do you solve this differential equation using the separation of variables dy/dx= (y-2)/x? Abgerufen am 27. Januar 2022 (englisch).
2. Trennung der Variablen: Erklärung und Beispiel. Abgerufen am 18. September 2021.
3. How do you solve this differential equation using the separation of variables dy/dx= (y-2)/x? Abgerufen am 27. Januar 2022 (englisch).
4. Harro Heuser: Gewöhnliche Differentialgleichungen. Einführung in Lehre und Gebrauch. 2. Auflage. Teubner, Stuttgart 1991, ISBN 3-519-12227-8, S. 128
5. Bernard Parisse: Symbolic algebra and Mathematics with Xcas. Abgerufen am 23. August 2021.