In diesem Buch lernen Sie, wie Sie mit Differenzialgleichungen aller Schwierigkeitsstufen umgehen: Sie starten mit Differenzialgleichungen erster Ordnung und erfahren, was mit separierbaren Differenzialgleichungen zu tun ist und was exakte Differenzialgleichungen sind. Anschließend begegnen Ihnen lineare homogene und lineare inhomogene Differenzialgleichungen höherer Ordnung. Lernen Sie die Methode der unbestimmten Koeffizienten und die Methode der Parametervariation kennen. Den wirklich schweren Brocken rücken Sie mit Laplace-Transformationen und Reihenlösungen zu Leibe. Und wenn gar nichts mehr geht, bleiben Ihnen ja immer noch die numerischen Lösungen. Sie funktionieren fast immer.
Steve Holzner ist Professor für Physik. Vor diesem Buch hat er schon viele Bücher geschrieben, allerdings zu einem anderen Thema: Software-Entwicklung.
Einleitung17
Über dieses Buch 17
Konventionen in diesem Buch 17
Was Sie nicht lesenmüssen 18
Törichte Annahmen über den Leser 18
Wie dieses Buch aufgebaut ist 18
Teil I: Was Sie alles brauchen die Zutaten 19
Teil II: Es wird spannend Differenzialgleichungen erster Ordnung 19
Teil III: Differenzialgleichungen höherer Ordnung und fortgeschrittene Techniken 19
Teil IV: Der Top-Ten-Teil 20
Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 20
Wie es weitergeht 20
Teil I Was Sie Alles Brauchen Die Zutaten21
Kapitel 1 Differenzieren die wichtigste Tätigkeit in diesem Buch23
Was ist denn eine Ableitung? 23
Schreibweisen der ersten Ableitung 25
Schreibweise der höheren Ableitungen 25
Ableitungen der elementaren Funktionen 26
Ableitungsregeln 28
Summen- und Faktorregel 28
Produktregel 28
Quotientenregel 30
Kettenregel 31
Alles zusammen 37
Kapitel 2 Integrieren genauso wichtig wie das Differenzieren39
Unbestimmtes Integral 39
Schreibweise mit Schlangenzeichen 42
Bestimmtes Integral 43
Drei Methoden, mit denen Sie (fast) jedes Integral knacken 45
Integration durch Substitution 45
Substitution am bestimmten Integral 46
Substitution am unbestimmten Integral 47
Partielle Integration 48
Partielle Integrationdie Vorgehensweise 49
Integralberechnung mittels Partialbruchzerlegung 51
Partialbruchzerlegung die Vorgehensweise 51
Kapitel 3 Komplexe Zahlen? Ja! Komplexe Sache? Nein!59
Was sind komplexe Zahlen? 60
Die drei Darstellungen 63
Die kartesische Darstellungmit x und y 63
Die Polardarstellung mit r,𝜑, Sinus und Kosinus 64
Die exponentielle Darstellung mit r,𝜑und der e-Funktion 65
Umrechnung der Darstellungen 65
Umrechnung von (exponentiell beziehungsweise polar) in kartesisch 66
Umrechnung von kartesisch in (exponentiell beziehungsweise polar) 66
Rechnenmit komplexen Zahlen 67
Die konjugiert komplexe Zahl 68
Das Addieren und Subtrahieren komplexer Zahlen 69
Das Multiplizieren komplexer Zahlen 69
Das Dividieren komplexer Zahlen 70
Das Potenzieren komplexer Zahlenmit reellen Potenzen 71
Die n Lösungen der Gleichungzn=w 71
Die zwei Lösungen der Mitternachtsformel 73
Kapitel 4 Matrizen und nicht Matratzen75
Grundlegendes zu den Matrizen 76
Rechnenmit Matrizen 77
Addieren und Subtrahieren von Matrizen 77
Multiplizieren von Matrizen 77
Determinante 81
Berechnung einer (2 × 2)-Determinante 81
Berechnung einer (3 × 3)-Determinante 82
Sarrus-Regel 82
Berechnung einer (n×n)-Determinante 85
Inverse Matrix 86
Kapitel 5 Eigenwertprobleme sind keine Probleme89
Was sind Eigenwertprobleme, wenn es keine Probleme sind? 89
Berechnung der Eigenwerte 90
Berechnung von Eigenvektoren 92
Berechnung reeller Eigenvektoren 92
Berechnung komplexer Eigenvektoren 95
Teil II ES Wird Spannend Differenzialgleichungen Erster Ordnung97
Kapitel 6 Was sind Differenzialgleichungen?99
Ableitungen, Steigungen, Krümmungen 100
Ort Geschwindigkeit Beschleunigung 102
Differenzialgleichungen Anfangswertprobleme Randwertprobleme 109
Unterschied zwischen der allgemeinen Lösung und der Lösung eines Anfangswertproblems 111
Differenzialgleichungssysteme 112
Gekoppelte Differenzialgleichungen 113
Lineare Systeme Matrizen 114
Kapitel 7 Für jede Differenzialgleichung eine passende Schublade.117
Differenzialgleichungen klassifizieren 117
Gewöhnlich versus partiell 118
Linearität 118
Homogenität 119
Ordnung 120
Beispiele 121
Differenzialgleichungssysteme klassifizieren 122
Kapitel 8 Lineare Differenzialgleichungen erster Ordnung125
Grundlagen für die Lösung linearer Differenzialgleichungen erster Ordnung 126
Das große Ganze mithilfe der Richtungsfelder erkennen 126
Ein Richtungsfeld zeichnen 126
Verbindung von Steigungen zu einer Integralkurve 127
Erkennen des Gleichgewichtswerts 129
Anfangsbedingungen von Anfang an anwenden 129
Und jetzt lösen wir Differenzialgleichungen mit Funktionen 131
Und jetzt nehmen wir ein paar Konstanten dazu 131
Lineare Differenzialgleichungen erster Ordnung mithilfe von Integrationsfaktoren lösen 132
Nach einem Integrationsfaktor suchen 132
Mithilfe eines Integrationsfaktors eine Differenzialgleichung lösen 133
Der nächste Schritt: Integrationsfaktoren in Differenzialgleichungen mit Funktionen einsetzen 134
Und jetzt eine ganz besondere Abkürzung! 135
Ein fortgeschrittenes Beispiel lösen 137
Prüfen, ob eine Lösung für eine Differenzialgleichung erster Ordnung existiert 140
Der Existenz- und Eindeutigkeitssatz für lineare Differenzialgleichungen 140
Die allgemeine Lösung finden 141
Ein paar Beispiele für Existenz und Eindeutigkeit 142
Feststellen, ob es eine Lösung für eine nichtlineare Differenzialgleichung gibt 143
Der Existenz- und Eindeutigkeitssatz für nichtlineare Differenzialgleichungen 144
Beispiele für den Existenz- und Eindeutigkeitssatz für nichtlineare Differenzialgleichungen 144
Kapitel 9 Separierbare Differenzialgleichungen erster Ordnung147
Die Grundlagen separierbarer Differenzialgleichungen 148
Einfach anfangen: Lineare separierbare Gleichungen 149
Implizite Lösungen 149
Explizite Lösungen aus impliziten Lösungen ableiten 151
Schwer zu knacken: Wann es keine explizite Lösung gibt 154
Trick: Nichtlineare separierbare Gleichungen in lineare separierbare Gleichungen umwandeln 155
Einige separierbare Gleichungen aus der Praxis 157
Ein Flussproblem in den Griff bekommen 157
Eine monetäre Aufgabenstellung 160
Partialbrüche in separierbaren Gleichungen 164
Kapitel 10 Exakte Differenzialgleichungen erster Ordnung und die Euler-Methode167
Grundlagen exakter Differenzialgleichungen 167
Exakte Differenzialgleichungen definieren 168
Eine typische exakte Differenzialgleichung berechnen 169
Feststellen, ob eine Differenzialgleichung exakt ist 170
Einen praktischen Satz ausprobieren 170
Den Satz anwenden 171
Nicht exakte Differenzialgleichungen mit Integrationsfaktoren bezwingen 173
Einen Integrationsfaktor finden 174
Mithilfe eines Integrationsfaktors eine exakte Gleichung erhalten 176
Der letzte Schliff: Die exakte Gleichung lösen 177
Mit der Euler-Methode numerisch werden 178
Die Methode verstehen 178
Die Genauigkeit der Methode auf einem Computer überprüfen 180
Differenzengleichungen 186
Ein bisschen praktische Terminologie 186
Iterative Lösungen 187
Gleichgewichtslösungen 188
Teil III Differenzialgleichungen Höherer Ordnung Und Fortgeschrittene Techniken.191
Kapitel 11 Lineare Differenzialgleichungen höherer Ordnung mit konstanten Koeffizienten193
Grundlegendes und Wissenswertes 194
Stufe 1: Die allgemeine Lösung der homogenen Differenzialgleichung 195
Charakteristisches Polynom 197
Stufe 2: Die partikuläre Lösung der inhomogenen Differenzialgleichung 205
Ansatz füry𝑝(x) 206
Bestimmung der Konstanten aus dem Ansatz 211
Beispiele Beispiele Beispiele 214
Erstes Beispiel 214
Abschließendes Beispiel der übleren Sorte 216
Gleichungen mit der Methode der Parametervariation lösen 220
Ein typisches Beispiel 221
Die Methode auf beliebige lineare Gleichungen anwenden 223
Die speziellen und allgemeinen Lösungen der inhomogenen Gleichung 224
Ein schönes Paar! Die Parametervariation trifft die Wronski-Determinante 226
Kapitel 12 Es wird ernst: Potenzreihen und reguläre Punkte229
Grundlagen der Potenzreihen 229
Mit dem Quotientenkriterium die Konvergenz einer Potenzreihe feststellen 230
Die Grundlagen des Quotientenkriteriums 230
Den Reihenindex verschieben 233
Taylor-Reihen 233
Differenzialgleichungen zweiter Ordnung mithilfe von Potenzreihen lösen 234
Wenn Sie die Lösung bereits kennen 235
Wenn die Lösung nicht im Voraus bekannt ist 242
Ein berühmtes Problem: Die Airy-Gleichung 245
Kapitel 13 Singuläre Punkte249
Die Grundlagen singulärer Punkte 249
Singuläre Punkte finden 250
Das Verhalten singulärer Punkte 250
Reguläre und irreguläre singuläre Punkte 251
Erstaunliche Euler-Gleichungen 255
Reelle und unterschiedliche Nullstellen 256
Reelle und gleiche Nullstellen 257
Komplexe Nullstellen 258
Mit einem Satz alles zusammenfassen 260
Reihenlösungen in der Nähe singulärer Punkte bestimmen 260
Die allgemeine Lösung identifizieren 260
Grundlagen für die Lösung von Gleichungen in der Nähe singulärer Punkte 262
Mit den Nullstellen arbeiten 264
Ein numerisches Beispiel für die Lösung einer Gleichung in der Nähe singulärer Punkte 265
Die zweite Nullstelle einsetzen 268
Eine genauere Betrachtung der Kenngleichungen 270
Kapitel 14 Laplace-Transformationen273
Eine typische Laplace-Transformation genauer betrachten 273
Entscheiden, wann eine Laplace-Transformation konvergiert 274
Grundlegende Laplace-Transformationen berechnen 275
Die Transformation von 1 276
Die Transformation von𝑒𝑎𝑡 276
Die Transformation von sin(at) 276
Eine praktische Tabelle sorgt für Erleichterung 278
Differenzialgleichungen mithilfe von Laplace-Transformation lösen 279
Einige Sätze bringen Sie auf den Weg 280
Eine homogene Gleichung zweiter Ordnung lösen 281
Eine inhomogene Gleichung zweiter Ordnung lösen 285
Eine Gleichung höherer Ordnung lösen 289
Laplace-Transformationen faktorisieren und Faltungsintegrale 291
Eine Laplace-Transformation in Brüche faktorisieren 292
Faltungsintegrale genauer betrachten 292
Schrittfunktionen beobachten 294
Definition der Schrittfunktion 294
Die Laplace-Transformation der Schrittfunktion ermitteln 295
Kapitel 15 Drei ausfallsichere numerische Methoden297
Zahlenknackenmit der Euler-Methode 298
Die Grundlagen der Methode 298
Mithilfe von Code die Methode in der Praxis beobachten 299
Die verbesserte Euler-Methode 303
Die Verbesserungen 304
Der neue Code 304
Eine steilere Steigung in den neuen Code einfügen 309
Nochmehr Genauigkeit durch die Runge-Kutta-Methode 313
Die Rekursionsrelation der Methode 313
Mit der Methode im Code arbeiten 314
Kapitel 16 Differenzialgleichungssysteme319
Die Metamorphose: Verwandlung in ein Differenzialgleichungssystem 320
Beispiel 1 für die sagenhafte Umwandlung 320
Beispiel 2 für die sagenhafte Umwandlung 321
Lösen von linearen homogenen Differenzialgleichungssystemen erster Ordnung mit konstanten Koeffizienten 322
Mit dem richtigen Ansatz zum Ziel finden 324
Beispiel zu reellen und verschiedenen Eigenwerten 326
Beispiel zu reellen und teilweise gleichen Eigenwerten 328
Beispiel zu teilweise konjugiert komplexen Eigenwerten 330
Teil IV Der Top-Ten-Teil335
Kapitel 17 Zehn Dinge, die Sie über Differenzialgleichungen wissen MÜSSEN337
Nahe Verwandte 337
Die Erbanlage 337
Tage der Vernunft 337
Eulers Großeltern 337
Ein besonderer Acker 338
Typisch Mathematiker 338
Persönlichkeitsstörung 338
Exotische Vögel 338
Aufgaben der Bäume 338
Unerwartete Gemeinsamkeiten 338
Lösungen 339
Stichwortverzeichnis 341
