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¿Cómo funciona esta integración cuando resuelven una DE?

Yo entiendo que lo que las ecuaciones diferenciales son y lo que son útiles para. Son muy interesantes, pero no estoy muy seguro de lo que está pasando, cuando en realidad la solución de uno.

Esto es lo que estoy tratando de resolver:

$$\frac{dy}{dx} = 2y + 3$$

Hasta donde yo sé, esta es una de primer orden lineal de la ecuación diferencial ordinaria. Parece bastante simple.

El primer paso que me dicen que hacer es " separar las variables. Así que se multiplican ambos lados de la ecuación por $dx$ y luego dividir ambos lados por $2y + 3$ acabar con:

$$\frac{dy}{2y+3} = dx$$

Así que ahora tengo todos los de mi $y$ términos en uno de los lados, y todos los de mi $x$ términos en el otro.

El hecho de que no puede separarse de la $\frac{dy}{dx}$ parece un poco extraño para mí, pero me han dicho que es sensato y estoy dispuesto a creer que, por ahora, eso es una buena cosa que hacer.

Después de esto, me dicen que 'integrar ambos lados y estoy muestran el siguiente paso:

$$\int \frac{dy}{2y+3} = \int dx$$

Normalmente a la hora de integrar, quisiera denotar la integral de [integrando] con respecto a las $x$' utilizando la notación estándar:

$$\int [integrand]\ dx$$

En definitiva la integración, la $\int$ representa una infinita suma, y el $dx$ representa, como de costumbre, un cambio muy pequeño en $x$ que se multiplica por el valor de la función en ese punto, en fin, como $dx$ se aproxima a cero, se genera el valor exacto del área bajo la curva.

Por ahora solo voy a aceptar que también escribe en esto de la moda cuando se hace indefinida de integración. Sin embargo, el segundo paso en la solución DE la DE me confunde porque no parece seguir esta notación.

Si desea integrar ambos lados, entonces eso significa que debe ser la integración de la $dx$ en el lado derecho. Si esto es cierto, entonces yo normalmente escribo como $\int dx\ dx$, porque es la integral de la $dx$ con respecto al $x$. Sin embargo, en la solución simplemente muestra $\int dx$ como si hemos perdido el dx que nos habría puesto en la notación.

El otro lado de la ecuación también no tiene un $dy$ al final, como yo se lo espera.

Mi pregunta real es: ¿Qué hacen los $dx$ $dy$ representan en sus el propios? Entiendo que $\frac{dy}{dx}$ representa la derivada de la $y$ con respecto al $x$, y que representa una instantánea de la tasa de cambio, porque es, esencialmente, lo que representa un infinitesimalmente pequeño cambio en $y$, dividido por un infinitesimalmente pequeño cambio en $x$ (el gradiente en un punto).

Sin embargo, cuando veo algo como $dx$ por su propia cuenta, no estoy seguro de cuál es el significado de es más. Es un infinitesimalmente pequeño cambio en $x$, ¿verdad? ¿Cómo podemos integrar? ¿Qué quiere decir? Quiero ser muy claro que no le estoy pidiendo a alguien para caminar a través de mí la solución, porque la Web está llena de ejemplos de resolución de estos tipos de ecuaciones. Yo estaría mucho más agradecido para un conceptual respuesta a mi pregunta.

Y como una pregunta más: ¿Cómo integrar ambos lados de una ecuación con respecto a diferentes variables de sentido? Seguramente los dos lados ya no sería igual.

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erfink Puntos 737

En esta pregunta, que en realidad no es necesario meditar sobre lo $\newcommand{\D}{\mathrm{d}} \D y$ $\D x$ significa que de forma individual (en términos de formas diferenciales, etc.). En su lugar, esta separando de $\D y \over \D x$ puede ser justificada en los siguientes más rigor. Después de la separación de variables, se tiene la ecuación

$$\frac{1}{2y(x) + 3} \frac{\D y}{\D x} = 1 \quad \text{or} \quad \frac{1}{2y(x) + 3} y'(x) = 1 $$ donde debemos tener en cuenta que $y$ es una función de $x$ (dependientes / variables independientes). Ahora, integramos ambos lados con respecto a $x$:

$$\int \frac{1}{2y(x) + 3} \frac{\D y}{\D x} ~\D x=\int \frac{1}{2y(x) + 3} y'(x) ~\D x = \int 1~\D x.$$

Observaciones:

  1. Para el lado derecho, reconocemos que $\int ~\D x = \int 1 ~\D x$. Es allí donde falta integrando referido a va. Estos realmente dar el mismo anti-derivada. En matemática superior, $\int \D x$ es probablemente preferido, pero esto requiere una formación en algo así como la geometría diferencial diferencial / formas / tensor de cálculo / cálculo de los colectores.
  2. Para la mano izquierda lados, podemos reconocer esto como la integral de una regla de la cadena. Tomando el diferencial total de $y(x)$ da $$dy = \frac{\D y}{\D x} \D x = y'(x) \D x.$$ Mus el lado izquierdo se convierte en $$\int \frac{1}{2y + 3} ~\D y.$$ Si usted prefiere, usted puede pensar en esto un $u$-sub: vamos a $u(x) = y(x) \implies \D u = \D y = \frac{\D y}{\D x} \D x$, y la integral se convierte en $$\int \frac{1}{2u + 3} ~\D u.$$

Lo que pasa es que la notación de Leibniz para el cálculo es un poco demasiado bueno---muchos de los estándar de cálculo normas parecen ser sólo la manipulación de fracciones. Por ejemplo,

  • $u$-sub con Leibniz: $\int f(u(x)) \frac{\D u}{\D x} ~\D x = \int f(u) ~\D u$. Esto casi parece que se nos acaba de cancelar el "$\D x$".
  • Regla de la cadena con Leibniz: $\frac{\D y}{\D t} = \frac{\D y}{\D x}\frac{\D x}{\D t}$.
  • Diferencial Total con Leibniz: $\D y = \frac{\D y}{\D x} \D x = y'(x) \D x$.
  • Stokes Teorema: $\int_{\partial M} \omega = \int_M \D \omega$.

A pesar de lo sugerente de esta notación es, siempre se debe tener en cuenta que $\frac{\D y}{\D x}$ es realmente no es una fracción. Sin embargo, no se comportan como una fracción de muchas maneras y esta puede ser una forma útil recordar estas cálculo de propiedades.

General Separables Problema

Dada una ecuación diferencial separable

$$f(y(x)) \frac{\D y}{\D x} = g(x) $$

integramos ambos lados con respecto a $x$ para obtener

$$\int f(y(x)) \frac{\D y}{\D x} ~\D x = \int g(x)~ \D x.$$

Como en el anterior, reconocemos el lado izquierdo como el resultado de una regla de la cadena / a $u$-sub integral para obtener $$\int f(y) ~\D y = \int g(x) ~\D x.$$

Tenga en cuenta que esto nos lleva al mismo lugar como si se hubiera dividido $\D y \over \D x$ empezar con: \begin{align*} f(y) ~\frac{\D y}{\D x} &= g(x) \\ f(y) ~\D y &= g(x) ~\D x\\ \int f(y) ~\D y &= \int g(x) ~\D x. \end{align*} Mientras que esta segunda versión debe hacer un matemático un poco aprensivo, se justifica en este caso por nuestro razonamiento anterior y es una útil computacional de acceso directo.

Anexo

Si realmente quieres saber lo $\D x$ $\D y$ refiero a realmente, esta Introducción a las Formas Diferenciales da una buena visión general, escrito por un estudiante de la audiencia (cálculo multivariable como único requisito previo). La respuesta simplista es que $\D x$ devuelve el $x$ componente de un vector...

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