Absolute waarde integreren

Moderators: ArcherBarry, Fuzzwood

Reageer
Gebruikersavatar
Berichten: 524

Absolute waarde integreren

Hallo allemaal,

Ik heb voornamelijk een vraagje over integreren (terwijl het grotendeels over differentiaalrekenen gaat).

---

Bekijk het beginwaardeprobleem
\(\frac{dx}{dt} = |x|^{a/b}\)
,
\(x(0) = 0\)
, waar
\(a\)
en
\(b\)
ondeelbare, positieve gehele getallen zijn.

a) Laat zien dat er oneindig aantal oplossingen zijn als
\(a < b\)
.

b) Laat zien dat er een unieke oplossing is als
\(a > b\)
.

---
\(x = 0\)
is een fixed point, dus
\(x(t) = 0\)
voor alle
\(t\)
is sowieso een oplossing. Dus ik weet al dat ik moet aantonen dat dat de enige oplossing voor b) is.

Om de andere oplossingen te vinden moet ik de variabelen splitsen en integreren:
\(\frac{dx}{dt} = |x|^{a/b}\)
\(\int \frac{dx}{|x|^{a/b}} = \int dt\)
Als die absolute waarde strepen er niet stonden, was dit simpel te vereenvoudigen tot:
\(\frac{1}{1 - a/b}*x^{1 - a/b} = t + C\)
.

Wolfram Alpha geeft ook geen duidelijke oplossing, dus ik zit nu vast.

Iemand die me kan helpen? :)

Gebruikersavatar
Berichten: 10.179

Re: Absolute waarde integreren

Iemand die hier een handje kan toesteken?
Zoek je graag naar het meest interessante wetenschapsnieuws? Wij zoeken nog een vrijwilliger voor ons nieuwspostteam.

Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 10.058

Re: Absolute waarde integreren

Allereerst x is een functie van t, dus x(t)

Om de gedachte te bepalen, probeer eens op te lossen:
\(\frac{dx}{dt}=\sqrt{x}\)
\(\frac{dx}{dt}=x^2\)
met de randvoorwaarde x(0)=0.

Gebruikersavatar
Berichten: 524

Re: Absolute waarde integreren

Safe schreef:Allereerst x is een functie van t, dus x(t)

Om de gedachte te bepalen, probeer eens op te lossen:
\(\frac{dx}{dt}=\sqrt{x}\)
\(\frac{dx}{dt}=x^2\)
met de randvoorwaarde x(0)=0.
\(\frac{dx}{dt}=\sqrt{x}\)
\(\int dt =\int\frac{dx}{\sqrt{x}}\)
\(t + K = 2\sqrt{x}\)
\(x(t) = \frac{(t + K)^2}{4}\)
De voorwaarde
\(x(0) = 0\)
levert op:
\(x(0) = \frac{K^2}{4} = 0\)
\(K = 0\)
Dus
\(x(t) = \frac{t^2}{4}\)
.
\(\frac{dx}{dt}=x^2\)
\(\int dt =\int\frac{dx}{x^2}\)
\(t + K = -\frac{1}{x}\)
\(x(t) = -\frac{1}{t + K}\)
De voorwaarde
\(x(0) = 0\)
levert op:
\(x(0) = -\frac{1}{K} = 0\)
\(K = \infty\)
Een eenduidige oplossing lukt blijkbaar niet.

Nu krijg ik wel een idee dat als a/b groter dan 1 is, dat dan alleen x(t) = 0 geldt en als a/b kleiner dan 1 is, dat je dan een oneindig aantal oplossingen hebt.

Maar nu zou ik dat algemeen moeten doen én met absolute waarde. Ik weet niet hoe ik dat voor elkaar krijg.

Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 10.058

Re: Absolute waarde integreren

Je zou beide verg nu ook met de absolute waarde kunnen oplossen.

Gebruikersavatar
Berichten: 524

Re: Absolute waarde integreren

Je zou beide verg nu ook met de absolute waarde kunnen oplossen.
In het tweede geval blijft dat hetzelfde, aangezien
\(|x|^2 = x^2\)
, maar dat komt omdat het over een even macht gaat. Voor
\(x^3\)
of bij een gebroken macht gaat dit niet meer op.

Vervolgens blijf ik weer hangen:
\(\int \frac{dx}{\sqrt{|x|}} = t + K\)
Ik weet niet hoe ik een absolute waarde netjes kan primitiveren.

Edit:

Klopt mijn redenatie trouwens in de post hierboven? Dat je bij een a/b > 1 maar één oplossing hebt, omdat de constante anders oneindig zou moeten zijn? En je een oneindig aantal oplossingen hebt, omdat elke oplossing voor 0 < a/b < 1 afhankelijk is van a en b (en daardoor dus oneindig veel)?

Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 10.058

Re: Absolute waarde integreren

Met de definitie van |x| ...

Gebruikersavatar
Berichten: 524

Re: Absolute waarde integreren

Met de definitie van |x| ...
\(|x| = x\)
, als
\(x \geq 0\)
en
\(|x| = -x\)
, als
\(x \leq 0\)
.

Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 3.505

Re: Absolute waarde integreren

\(|x| = x\)
, als
\(x \geq 0\)
en
\(|x| = -x\)
, als
\(x \leq 0\)
.
Je moet dus bij het integreren 2 afzonderlijke gevallen onderscheiden. Werk dat nu eens verder uit.
"Mathematics is a gigantic intellectual construction, very difficult, if not impossible, to view in its entirety." Armand Borel

Gebruikersavatar
Berichten: 524

Re: Absolute waarde integreren

Voor
\(x \geq 0\)
:
\(\int \frac{dx}{x^{a/b}} = \int dt\)
\(\frac{x^{1 - a/b}}{1 - a/b} = t + K\)
\(x(t) = ((1 - a/b)(t + K))^{\frac{1}{1 - a/b}}\)
Voor
\(x \leq 0\)
:
\(\int \frac{dx}{(-x)^{a/b}} = \int dt\)
\(-\frac{(-x)^{1 - a/b}}{1 - a/b} = t + K\)
\((-x)^{1 - a/b} = -(1 - a/b)(t + K)\)
\(x(t) = -(-(1 - a/b)(t+K))^{\frac{1}{1-a/b}}\)

Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 10.058

Re: Absolute waarde integreren

Ok, maar je bent nog niet klaar ...

Gebruikersavatar
Berichten: 524

Re: Absolute waarde integreren

Ok, maar je bent nog niet klaar ...
Ik moet nu één formule voor x(t) vinden die dus voor alle reële x geldt. Echter weet ik niet hoe ik deze twee moet samenvoegen...

Edit:

Eigenlijk moet ik de gevonden formule voor
\(x(t) \leq 0\)
schrijven als:
\(-x(t) = (-(1 - a/b)(t+K))^{\frac{1}{1-a/b}}\)
En dan hoopte ik dat
\(x(t)\)
voor
\(\geq 0\)
gelijk was aan
\(-x(t)\)
voor
\(\leq 0\)
, maar dat is helaas niet het geval, omdat er een 'extra' min is.

Reageer