Diese Lerneinheit startet mit einem Beispiel für das Lösen einer Differentialgleichung mit
γ
′
(
t
)
=
γ
(
t
)
n
{\displaystyle \gamma {\,}'(t)={\gamma (t)}^{n}}
mit
n
∈
N
{\displaystyle n\in \mathbb {N} }
, wobei der Weg
γ
:
[
a
,
b
]
→
C
{\displaystyle \gamma :[a,b]\to \mathbb {C} }
in dem Vektorfeld
f
(
z
)
=
z
n
{\displaystyle f(z)=z^{n}}
gesucht ist, der für den Anfangswert
z
a
∈
C
{\displaystyle z_{a}\in \mathbb {C} }
die Gleichung
z
a
=
γ
(
a
)
{\displaystyle z_{a}=\gamma (a)}
erfüllt.
Ein Punkt
z
a
{\displaystyle z_{a}}
ist einem Vektorfeld ausgesetzt, das durch einen holomorphe Funktion
f
:
G
→
C
{\displaystyle f:G\to \mathbb {C} }
beschrieben wird.
Die folgende Abbildung zeigt Vektorfeld von einzelnen Punkten
z
∈
C
{\displaystyle z\in \mathbb {C} }
aus der Gaußschen Zahlenbene. Der zugehörigen Funktionswert
f
(
z
)
=
z
2
{\displaystyle f(z)=z^{2}}
zum Argument
z
∈
G
{\displaystyle z\in G}
wird als (grün markierter) Vektor mit Anfangspunkt in
z
{\displaystyle z}
dargestellt.
vector field for z square
Wenn man versucht
γ
′
(
t
)
=
γ
(
t
)
2
{\displaystyle \gamma {\,}'(t)=\gamma (t)^{2}}
mit einem holomorphen Weg
γ
:
[
a
,
b
]
→
C
{\displaystyle \gamma :[a,b]\to \mathbb {C} }
und
γ
(
a
)
=
z
a
{\displaystyle \gamma (a)=z_{a}}
in einem Vektorfeld
f
(
z
)
=
z
3
{\displaystyle f(z)=z^{3}}
zu lösen, so stellt man fest, das nur
γ
(
t
)
:=
z
a
{\displaystyle \gamma (t):=z_{a}}
für alle
t
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle t\in [a,b]}
als konstanter Weg die Differentialgleichung löst. Daher geht man zu einer meromorphen Funktion
γ
U
:
U
→
C
{\displaystyle \gamma _{_{U}}:U\to \mathbb {C} }
mit
[
a
,
b
]
⊂
U
{\displaystyle [a,b]\subset U}
und
γ
(
t
)
:=
γ
U
(
t
)
{\displaystyle \gamma (t):=\gamma _{_{U}}(t)}
für alle
t
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle t\in [a,b]}
über, die dann allerdings keine Pole auf dem Intervall
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
besitzen darf.
Die Lösung der Differentialgleichung mit Anfangswert
γ
(
a
)
=
z
a
∈
C
{\displaystyle \gamma (a)=z_{a}\in \mathbb {C} }
lautet:
γ
(
t
)
=
z
a
1
−
z
a
⋅
(
t
−
a
)
{\displaystyle \gamma (t)={\frac {z_{a}}{1-z_{a}\cdot (t-a)}}}
.
Die Lösung hat eine Pol bei
t
=
1
+
a
z
a
{\displaystyle t={\tfrac {1+a}{z_{a}}}}
.
Damit ist
γ
G
{\displaystyle \gamma _{_{G}}}
eine meromorphe Funktion auf
G
:=
C
∖
{
1
+
a
z
a
}
{\displaystyle G:=\mathbb {C} \setminus \left\{{\tfrac {1+a}{z_{a}}}\right\}}
. Für einen wohldefinierten Weg
γ
:
[
a
,
b
]
→
C
{\displaystyle \gamma :[a,b]\to \mathbb {C} }
mit Definitionsbereich
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
darf der Pol
t
o
:=
1
+
a
z
a
{\displaystyle t_{o}:={\tfrac {1+a}{z_{a}}}}
nicht im Definitionsbereich
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
des Weges
γ
{\displaystyle \gamma }
liegen (d.h.
t
o
∉
[
a
,
b
]
{\displaystyle t_{o}\notin [a,b]}
), da sonst
γ
{\displaystyle \gamma }
an der Stelle
t
o
=
1
+
a
z
a
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle t_{o}={\tfrac {1+a}{z_{a}}}\in [a,b]}
nicht definiert ist.
Für
z
a
:=
1
{\displaystyle z_{a}:=1}
und
[
a
,
b
]
:=
[
1
,
3
]
{\displaystyle [a,b]:=[1,3]}
liegt der Pol
t
0
:=
1
+
a
z
a
=
2
{\displaystyle t_{0}:={\tfrac {1+a}{z_{a}}}=2}
in dem Intervall
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
und damit wäre der Weg an dieser Stelle
t
0
{\displaystyle t_{0}}
nicht definiert.
Lösungsweg für Differentialgleichungen[ Bearbeiten ]
Über die Trennung der Variablen kann man die Differentialgleichung lösen:
γ
′
(
t
)
=
γ
(
t
)
2
{\displaystyle \gamma {\,}'(t)=\gamma (t)^{2}}
Man betrachtet dazu die folgende Gleichung nach Äquivalenzumformung:
1
γ
(
t
)
2
⋅
γ
′
(
t
)
=
1
(
∗
)
{\displaystyle {\frac {1}{\gamma (t)^{2}}}\cdot \gamma {\,}'(t)=1\quad (\ast )}
.
Dabei ist es wesentlich, dass
γ
(
t
)
2
{\displaystyle \gamma (t)^{2}}
bzw.
γ
(
t
)
{\displaystyle \gamma (t)}
keine Nullstellen für
t
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle t\in [a,b]}
besitzt.
Durch Integration über die Gleichung
(
∗
)
{\displaystyle (\ast )}
erhält man:
∫
a
b
1
γ
(
t
)
2
⋅
γ
′
(
t
)
d
t
=
∫
a
b
1
d
t
(
∗
∗
)
{\displaystyle \int _{a}^{b}{\frac {1}{\gamma (t)^{2}}}\cdot \gamma {\,}'(t)\,dt=\int _{a}^{b}1\,dt\quad (\ast \ast )}
Auf der linken Seite der Gleichung erhält man die Defintion des Wegintegrals .
Schritt 2: Definition des Wegintegrals [ Bearbeiten ]
Die Integration der Gleichung
(
∗
∗
)
{\displaystyle (\ast \ast )}
liefert dann:
∫
γ
1
z
2
d
z
=
∫
a
b
1
γ
(
t
)
2
⋅
γ
′
(
t
)
d
t
=
∫
a
b
1
d
t
=
b
−
a
{\displaystyle \int _{\gamma }{\frac {1}{z^{2}}}\,dz=\int _{a}^{b}{\frac {1}{\gamma (t)^{2}}}\cdot \gamma {\,}'(t)\,dt=\int _{a}^{b}1\,dt=b-a}
Die Stammfunktion von
f
^
(
z
)
=
z
−
2
{\displaystyle {\widehat {f}}(z)=z^{-2}}
ist
F
^
(
z
)
=
1
−
1
⋅
z
−
1
=
−
1
z
{\displaystyle {\widehat {F}}(z)={\tfrac {1}{-1}}\cdot z^{-1}=-{\tfrac {1}{z}}}
.
Schritt 3 - Berechnung des Wegintegrals über Stammfunktionen[ Bearbeiten ]
Das Integral
∫
γ
f
^
(
z
)
d
z
=
F
^
(
γ
(
b
)
)
−
F
^
(
γ
(
a
)
)
{\displaystyle \int _{\gamma }{\widehat {f}}(z)\,dz={\widehat {F}}{\big (}\gamma (b){\big )}-{\widehat {F}}{\big (}\gamma (a){\big )}}
kann über die Stammfunktion
F
^
{\displaystyle {\widehat {F}}}
berechnet werden.
b
−
a
=
∫
γ
1
z
2
d
z
=
−
1
γ
(
b
)
+
1
γ
(
a
)
{\displaystyle b-a=\int _{\gamma }{\frac {1}{z^{2}}}\,dz=-{\frac {1}{\gamma (b)}}+{\frac {1}{\gamma (a)}}}
Schritt 4 - Endpunkt des Wegintegrals als Variable [ Bearbeiten ]
Man betrachtet nun das Wegintegral über das Intervall
[
a
,
t
]
{\displaystyle [a,t]}
mit
t
>
a
{\displaystyle t>a}
und erhält mit dem Anfangswert
γ
(
a
)
=
z
a
∈
C
{\displaystyle \gamma (a)=z_{a}\in \mathbb {C} }
:
t
−
a
=
∫
γ
1
z
2
d
z
=
−
1
γ
(
t
)
+
1
z
a
{\displaystyle t-a=\int _{\gamma }{\frac {1}{z^{2}}}\,dz=-{\frac {1}{\gamma (t)}}+{\frac {1}{z_{a}}}}
Man erhält den Weg
γ
(
t
)
=
z
a
1
−
z
a
(
t
−
a
)
{\displaystyle \gamma (t)={\tfrac {z_{a}}{1-z_{a}(t-a)}}}
über folgende Umformung:
−
1
z
a
+
t
−
a
=
−
1
γ
(
t
)
⟺
1
z
a
−
z
a
(
t
−
a
)
z
a
=
=
1
γ
(
t
)
⟺
1
−
z
a
(
t
−
a
)
z
a
=
1
γ
(
t
)
{\displaystyle {\begin{array}{rclc}-{\frac {1}{z_{a}}}+t-a&=&-{\frac {1}{\gamma (t)}}&\Longleftrightarrow \\{\frac {1}{z_{a}}}-{\frac {z_{a}(t-a)}{z_{a}}}=&=&{\frac {1}{\gamma (t)}}&\Longleftrightarrow \\{\frac {1-z_{a}(t-a)}{z_{a}}}&=&{\frac {1}{\gamma (t)}}&\\\end{array}}}
Um die Spur des Weges in Geogebra zu zeichnen, zerlegt man
γ
(
t
)
=
γ
1
(
t
)
+
i
⋅
γ
2
(
t
)
{\displaystyle \gamma (t)=\gamma _{1}(t)+i\cdot \gamma _{2}(t)}
in die Realteilfunktion
γ
1
:
[
a
,
b
]
→
R
{\displaystyle \gamma _{1}:[a,b]\to \mathbb {R} }
und Imaginärteilfunktion
γ
2
:
[
a
,
b
]
→
R
{\displaystyle \gamma _{2}:[a,b]\to \mathbb {R} }
, um den Pfad in
R
2
{\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}
als Ortlinie zeichnen zu können.
Realteil- und Imaginärteilfunktion - Schritt 1[ Bearbeiten ]
In der Definition der Lösung
γ
(
t
)
{\displaystyle \gamma (t)}
muss man zunächst den Nenner reellwertig machen, um die Real- und Imaginärteilfunktion bestimmen zu können. Dies erfolgt über:
γ
(
t
)
=
z
a
1
−
z
a
⋅
(
t
−
a
)
=
z
a
⋅
(
1
−
z
a
⋅
(
t
−
a
)
)
¯
(
1
−
z
a
⋅
(
t
−
a
)
)
⋅
(
1
−
z
a
⋅
(
t
−
a
)
)
¯
=
z
a
⋅
(
1
−
z
a
¯
⋅
(
t
−
a
)
)
(
1
−
z
a
⋅
(
t
−
a
)
)
⋅
(
1
−
z
a
¯
⋅
(
t
−
a
)
)
=
z
a
−
|
z
a
|
2
⋅
(
t
−
a
)
(
1
−
z
a
⋅
(
t
−
a
)
−
z
a
¯
⋅
(
t
−
a
)
+
|
z
a
|
2
⋅
(
t
−
a
)
2
=
z
a
−
|
z
a
|
2
⋅
(
t
−
a
)
1
−
2
⋅
R
e
(
z
a
)
⋅
(
t
−
a
)
+
|
z
a
|
2
⋅
(
t
−
a
)
2
{\displaystyle {\begin{array}{rcl}\gamma (t)&=&{\frac {z_{a}}{1-z_{a}\cdot (t-a)}}={\frac {z_{a}\cdot {\overline {(1-z_{a}\cdot (t-a))}}}{(1-z_{a}\cdot (t-a))\cdot {\overline {(1-z_{a}\cdot (t-a))}}}}\\&=&{\frac {z_{a}\cdot (1-{\overline {z_{a}}}\cdot (t-a))}{(1-z_{a}\cdot (t-a))\cdot (1-{\overline {z_{a}}}\cdot (t-a))}}\\&=&{\frac {z_{a}-|z_{a}|^{2}\cdot (t-a)}{(1-z_{a}\cdot (t-a)-{\overline {z_{a}}}\cdot (t-a)+|z_{a}|^{2}\cdot (t-a)^{2}}}\\&=&{\frac {z_{a}-|z_{a}|^{2}\cdot (t-a)}{1-2\cdot {\mathfrak {Re}}(z_{a})\cdot (t-a)+|z_{a}|^{2}\cdot (t-a)^{2}}}\\\end{array}}}
Realteil- und Imaginärteilfunktion - Schritt 2[ Bearbeiten ]
Mit
γ
(
a
)
=
z
a
=
z
a
,
1
+
i
⋅
z
a
,
2
{\displaystyle \gamma (a)=z_{a}=z_{a,1}+i\cdot z_{a,2}}
als Anfangswert des Weges erhält mit dem reellwertigen Nenner aus Schritt 1:
γ
(
t
)
=
z
a
−
|
z
a
|
2
⋅
(
t
−
a
)
1
−
2
⋅
R
e
(
z
a
)
⋅
(
t
−
a
)
+
|
z
a
|
2
⋅
(
t
−
a
)
2
=
z
a
,
1
−
|
z
a
|
2
⋅
(
t
−
a
)
⏞
∈
R
+
i
⋅
z
a
,
2
⏞
∈
R
1
−
2
⋅
R
e
(
z
a
)
⋅
(
t
−
a
)
+
|
z
a
|
2
⋅
(
t
−
a
)
2
⏟
∈
R
{\displaystyle {\begin{array}{rcl}\gamma (t)&=&{\frac {z_{a}-|z_{a}|^{2}\cdot (t-a)}{1-2\cdot {\mathfrak {Re}}(z_{a})\cdot (t-a)+|z_{a}|^{2}\cdot (t-a)^{2}}}\\&=&{\frac {\overbrace {z_{a,1}-|z_{a}|^{2}\cdot (t-a)} ^{\in \mathbb {R} }+i\cdot \overbrace {z_{a,2}} ^{\in \mathbb {R} }}{\underbrace {1-2\cdot {\mathfrak {Re}}(z_{a})\cdot (t-a)+|z_{a}|^{2}\cdot (t-a)^{2}} _{\in \mathbb {R} }}}\\\end{array}}}
Realteil- und Imaginärteilfunktion - Schritt 3[ Bearbeiten ]
Damit erhält man nun die Realteilfunktion
γ
1
{\displaystyle \gamma _{1}}
und
γ
2
{\displaystyle \gamma _{2}}
für den Anfangswert des Weges
z
a
{\displaystyle z_{a}}
:
γ
1
(
t
)
=
z
a
,
1
−
|
z
a
|
2
⋅
(
t
−
a
)
⏞
∈
R
1
−
2
⋅
R
e
(
z
a
)
⋅
(
t
−
a
)
+
|
z
a
|
2
⋅
(
t
−
a
)
2
γ
2
(
t
)
=
z
a
,
2
⏞
∈
R
1
−
2
⋅
R
e
(
z
a
)
⋅
(
t
−
a
)
+
|
z
a
|
2
⋅
(
t
−
a
)
2
{\displaystyle {\begin{array}{rcl}\gamma _{_{1}}(t)&=&{\frac {\overbrace {z_{a,1}-|z_{a}|^{2}\cdot (t-a)} ^{\in \mathbb {R} }}{1-2\cdot {\mathfrak {Re}}(z_{a})\cdot (t-a)+|z_{a}|^{2}\cdot (t-a)^{2}}}\\\gamma _{_{2}}(t)&=&{\frac {\overbrace {z_{a,2}} ^{\in \mathbb {R} }}{1-2\cdot {\mathfrak {Re}}(z_{a})\cdot (t-a)+|z_{a}|^{2}\cdot (t-a)^{2}}}\\\end{array}}}
Plotten Sie nun den Weg durch Festlegung des Punktes
(
γ
1
(
t
)
,
γ
2
(
t
)
)
∈
R
2
{\displaystyle (\gamma _{1}(t),\gamma _{2}(t))\in \mathbb {R} ^{2}}
in Abhängigkeit des Schiebereglers für
t
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle t\in [a,b]}
.
Animation - differential equation - solution plotted as curve in OpenSource Geogebra
Bestimmen Sie Weg für eine Vektorfeld
f
(
z
)
=
z
n
{\displaystyle f(z)=z^{n}}
allgemein, das durch eine meromorphe Funktion
f
:
G
→
R
{\displaystyle f:G\to \mathbb {R} }
gegeben ist, die keine Nullstellen in dem Intervall
[
a
,
b
]
⊂
G
{\displaystyle [a,b]\subset G}
auf der reellen Achse besitzt.
Bestimmen Sie Weg allgemein für eine Vektorfeld, das durch eine meromorphe Funktion
f
:
G
→
R
{\displaystyle f:G\to \mathbb {R} }
gegeben ist und
γ
{\displaystyle \gamma }
keine Nullstellen auf dem Intervall
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
besitzt. Warum ist es wichtig für die Lösbarkeit der Differentialgleichung, dass
γ
{\displaystyle \gamma }
keine Nullstellen auf dem Intervall
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
besitzt?