F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

Moderators: ArcherBarry, Fuzzwood

Berichten: 1.116

F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

Door het topic [topic="129919"][natuurkunde] Puntmassa langs rechte baan, bereken versnelling[/topic], kwam ik in aanraking met een soort wiskundige problematiek die mij nog volledig onbekend was.

Namelijk veralgemeniseerd:
\(f(x)f'(x) = g(x)\)
Op zich was het probleem in het gestelde topic nog wel goed op te lossen, zonder dat ik dit eerder had gezien.
\(a(t) = \frac{2}{v(t)} = \frac{2}{A(t)} \longrightarrow a(t) \cdot A(t) = 2\)
Gezien we in de afgeleiden en de integralen zitten, vond ik het heel aannemelijk dat het er uit zou zien als:
\(y \cdot \frac{2}{y} = 2\)
De functiegroep die hier wel passend zou zijn, leken mij de wortelfuncties:
\(y = \sqrt{x} \longrightarrow y' = \frac{1}{2\sqrt{x}} \longrightarrow y \cdot y' = \frac{1}{2} = c\)
Voor onze situatie gold dus:
\(y = \sqrt{4x} \longrightarrow y' = \frac{1}{2\sqrt{4x}} = \frac{2}{\sqrt{4x}} \longrightarrow y \cdot y' = 2\)
De oplossing was dus:
\(a(t) = \frac{4}{2\sqrt{4t + C}} = \frac{2}{\sqrt{4t + C}} \wedge A(t) = \sqrt{4t + C}\)
De rest van de opdracht was het kloppend maken met de voorwaarden:
\(a(2) = \frac{2}{3} = \frac{2}{\sqrt{8 + C}} \longrightarrow 8 + C = 3^2 = 9 \longrightarrow C = 1\)
In het algemeen is dus de oplossing voor:
\(f(x)f'(x) = c \longrightarrow f(x) = \sqrt{2cx + C} \wedge f'(x) = \frac{c}{\sqrt{2cx + C}}\)
Wat ik me naar aanleiding van dit topic afvroeg was: Stel dat g(x) nu geen constante is, maar een gewone functie. Dus bijv.
\(\ln x\)
,
\(\sqrt{x}\)
of
\(e^x\)
. Is er dan een bepaalde oplosmethode? Kun je dat dan überhaupt oplossen? En is er maar één mogelijke oplossing? Of zijn er meerdere, waar ik dan per ongeluk niet aan gedacht heb?

Als er wat literatuur over dit soort problematiek is, dan is deze uiteraard ook welkom.

Gebruikersavatar
Berichten: 2.609

Re: F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

Als er wat literatuur over dit soort problematiek is, dan is deze uiteraard ook welkom.
Dit is een niet lineaire differentiaalvergelijking. Die hebben voor zover ik weet geen algemene oplossing. Als ik het mij goed herinner los je die op via goedgekozen substituties, zodat de vergelijking lineair wordt of herleid wordt naar een differentiaalvergelijking die wel lineair is en vervolgens eenvoudiger op te lossen.

Voor meer informatie kan je eens zoeken naar cursussen analyse van 1e Bachelor wiskunde, burgerlijk ingenieur of fysica. Op internet is waarschijnlijk ook vanalles te vinden.

Dit was mijn cursus: http://student.vub.ac.be/~scaenepe/analyse2.pdf (blijkbaar (tijdelijk?) offline)

Berichten: 1.116

Re: F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

Dit is een niet lineaire differentiaalvergelijking. Die hebben voor zover ik weet geen algemene oplossing. Als ik het mij goed herinner los je die op via goedgekozen substituties, zodat de vergelijking lineair wordt of herleid wordt naar een differentiaalvergelijking die wel lineair is en vervolgens eenvoudiger op te lossen.
Bedankt voor het snelle antwoord. Heb je zo ook een voorbeeld hiervan?

Gebruikersavatar
Berichten: 2.609

Re: F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

Bedankt voor het snelle antwoord. Heb je zo ook een voorbeeld hiervan?
Dit is een voorbeeld: http://en.wikipedia.org/wiki/Bernoulli_differential_equation

De substituties die gebruikt worden zijn vaak vrij vergezocht. Er zijn geen algemene regels voor. Met wat ervaring kan je er vast wel inzicht in krijgen, maar ik ben er niet vaak genoeg mee bezig.

In sommige gevallen kan je het probleem ook vereenvoudigen door de Laplace getransformeerde te nemen, die op te lossen en dan terug te transformeren.

Er zijn verschillende trucs en ik ken ze lang niet allemaal, maar er is niet 1 standaardmethode ](*,) Sommige van die vergelijkingen hebben ook geen analytische oplossing en zullen daarom numeriek benaderd worden.

Berichten: 7.068

Re: F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

JWvdVeer schreef:Gezien we in de afgeleiden en de integralen zitten, vond ik het heel aannemelijk dat het er uit zou zien als:
\(y \cdot \frac{2}{y} = 2\)
Waarom zo moeilijk doen? Kettingregel:
\(\frac{d f(x)^2}{dx} = 2 f(x) \frac{d f(x)}{dx}\)
ofwel:
\(f(x) \frac{d f(x)}{dx} = \frac{1}{2} \frac{d f(x)^2}{dx} = g(x)\)
\(\frac{d f(x)^2}{dx} = 2 g(x)\)
\(\int \frac{d f(x)^2}{dx} dx = \int 2 g(x) dx\)
\(f(x)^2 = \int 2 g(x) dx\)
\(f(x) = \pm \sqrt{2 \int g(x) dx}\)
\(f(x) = \pm \sqrt{2 G(x) + C}\)

Berichten: 1.116

Re: F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

Kun je deze stappen iets uitgebreider uitleggen? (Ook evt. wat meer over de achtergrond van deze oplossing, gezien ik niet zie hoe je op de kettingregel komt).

De manier van oplossen beklijft bij mij nog niet helemaal.

Ik snap nog niet helemaal wat jij doet in deze stap en waarom dit een gelijkheid is:
\(\frac{d f(x)^2}{dx} = 2 f(x) \frac{d f(x)}{dx}\)
Het doet me ergens denken aan:
\(f'(x) = x' \cdot \frac{1}{2}f(x)^2 = \frac{1}{2}f(x)^2\)
?

Maar ik krijg het niet helemaal helder op een rijtje (mede omdat ik de notatie een beetje verwarrend vindt, omdat
\(\frac{\mbox{d}f(x)}{\mbox{d}x}\)
al dan niet met de kwadraat een andere functie hebben (in het ene geval de functie van de afleiding en in het andere geval het feit dat het nog afgeleid moet worden).

Ik vermoed dat wanneer ik deze stap snap, dat ik de vervolgstappen ook snap.

De rest kan ik op zich aardig volgen.

Overigens ziet deze oplossing eruit alsof je deze in meer situaties kunt toepassen. Dus ook wat makkelijker voor niet-constante g-'s? Of heb ik dit nu fout?

Gebruikersavatar
Berichten: 2.097

Re: F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

JWvdVeer schreef:Ik snap nog niet helemaal wat jij doet in deze stap en waarom dit een gelijkheid is:
\(\frac{d f(x)^2}{dx} = 2 f(x) \frac{d f(x)}{dx}\)
Het zal waarschijnlijk aan het late uur liggen, want normaal gezien zou je volgende standaard regel toch wel moeten (her)kennen.
\((f(x)^n)'=nf(x)^{n-1}f'(x)\)
Niet? ](*,)
mede omdat ik de notatie een beetje verwarrend vindt
Wat is er verwarrend? De plaats van het kwadraat (na de 'd' of na de functie) geeft meteen de betekenis.
"Why must you speak when you have nothing to say?" -Hornblower

Conserve energy: Commute with a Hamiltonian

Berichten: 1.116

Re: F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

Ik gooi het ook maar op het late -of liever gezegd- vroege uur en kijk er morgen nogmaals naar.

Bedankt in elk geval in zoverre ](*,) .

Berichten: 1.116

Re: F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

ZVdP schreef:Het zal waarschijnlijk aan het late uur liggen, want normaal gezien zou je volgende standaard regel toch wel moeten (her)kennen.
\((f(x)^n)'=nf(x)^{n-1}f'(x)\)
Niet? ](*,)
Tja, ik herken hem inderdaad. Hij is volledig analoog aan:
\([x^n]' = nx^{n-1} \cdot x', (n \neq 0)\)
.

En hieruit volgt dus met de kettingregel:
\(\int f(x)^n\,\mbox{d}x = \frac{1}{(n + 1)(f(x)^n)'}f(x)^{n + 1}\)
\(\longrightarrow f(x)^n(f(x)^n)' = \frac{1}{n + 1}\frac{\mbox{d}f(x)^{n+1}}{\mbox{d}x}\)
\(\longrightarrow f(x)f'(x) = \frac{1}{2}\frac{\mbox{d}f(x)^2}{\mbox{d}x} = \frac{1}{2}(f(x)^2)'\)
.

Dat klopt in zoverre?

Gebruikersavatar
Berichten: 2.097

Re: F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

Buiten dat je eerste regel niet klopt (er bestaat geen algemene formule voor
\(\int f(x)^ndx\)
), en dat de overgang naar de tweede regel ook fout is:

Wat ben je nu eigenlijk allemaal nog aan het uitrekenen?
"Why must you speak when you have nothing to say?" -Hornblower

Conserve energy: Commute with a Hamiltonian

Berichten: 1.116

Re: F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

Buiten dat je eerste regel niet klopt (er bestaat geen algemene formule voor
\(\int f(x)^ndx\)
Wat ben je nu eigenlijk allemaal nog aan het uitrekenen?
Ik doe een poging om te snappen waarom en hoe het gedaan is. Zodat ik het een volgende keer ook toe kan passen.

Berichten: 7.068

Re: F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

Dit geldt:
\(\int f(x)^n \frac{df(x)}{dx} dx \neq \frac{df(x)}{dx} \int f(x)^n dx \)
De enige uitzondering is als de afgeleide van f(x) een constante is.

Gebruikersavatar
Berichten: 2.097

Re: F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

JWvdVeer schreef:Hoe bedoel je dat er geen algemene formule bestaat voor
\(\int f(x)^n\, \mbox{d}x\)
?

Je hebt toch deze regel:
\([x^n + C_0]' = nx' \cdot x^{n-1} \longrightarrow [x^{n+1} + C_0]' = (n+1)x' \cdot x^{n} \longrightarrow \int x^n\, \mbox{d}x = \frac{1}{(n + 1)x'}x^{n+1} + C_1\)
.
Neen. Deze formule zou betekenen dat je de integraal van elke afleidbare functie kunt uitrekenen (n=1), was dat maar waar. (denk aan
\(e^{x^2}\)
)

Je vergeet f(x)' binnen de integraal te zetten (bovendien differentieer je die factor ook niet in de volgende bewerking). Je krijgt volgende (nutteloze) formule:
\(\int f(x)^n dx=\frac{1}{n+1}\int \frac{[f(x)^{n+1}]'}{f(x)'}dx\)
Ik doe een poging om te snappen waarom en hoe het gedaan is. Zodat ik het een volgende keer ook toe kan passen.
Maar wat precies?

Er wordt enkel gebruik gemaakt van:
\(D(x^2)=2x\)
en dus met de kettingregel:
\(D(f(x)^2)=2f(x)D(f(x))\)
"Why must you speak when you have nothing to say?" -Hornblower

Conserve energy: Commute with a Hamiltonian

Berichten: 1.116

Re: F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

Er wordt enkel gebruik gemaakt van:
\(D(x^2)=2x\)
en dus met de kettingregel:
\(D(f(x)^2)=2f(x)D(f(x))\)
Ok, nu vat ik hem ;)

Bedankt ](*,)

Berichten: 1.116

Re: F(x)f'(x) = g(x). oplostechniek?

Goedendag allen,

Gezien ik vandaag weer een soortgelijk probleem zag, dacht ik: laat ik eens proberen om die zelf op te lossen. Alleen liep ik uiteindelijk vast. Dus hier mijn poging:

Het is naar aanleiding van het topic: [wiskunde] Integreren dx/(a/(b+x)). De TS moest daar t'(s) hebben, maar ik ga proberen hier s'(t) uit te halen.
\(\frac{\mbox{d}s}{\left(\frac{5}{4+s(t)}\right)} = \mbox{d}t \longrightarrow \frac{5}{4+s(t)} = \frac{\mbox{d}s}{\mbox{d}t} = s'(t)\)
\(5 = (4 + s(t))s'(t) = 4s'(t) + s(t)s'(t)\)
Zelfde geintje wat ik eerst niet snapte:
\(s(t)s'(t) = \frac{1}{2}[s(t)^2]'\)
Substitutie:
\(5 - 4s'(t) = \frac{1}{2}[s(t)^2]'\)
\(10 - 8s'(t) = [s(t)^2]'\)
\(\int 10 - 8s'(t)\,\mbox{d}t = s(t)^2\)
\(10t -8s(t) + C = 2(5t - 4s(t)) + C = s(t)^2\)
Ik kan hier nu nog wel een wortelteken overheen zetten. Maar zie niet in wat ik daarmee verder kom. Op de één of andere manier lukt het mij niet om die 8s(t) van de ene kant zodanig naar de andere kant te werken dat en er dan uiteindelijk s(t) van te maken.

Kunnen jullie me een hint geven? Desnoods een analoog voorbeeld? Doe ik het overigens wel goed?

Volgens Wolfram Alpha moet er iets uitkomen als
\(\pm \sqrt{2}\sqrt{5t + 8 + C} - 4\)

Reageer