Arten von Differentialgleichungen – Einteilung von DGL

Differentialgleichungen sind nicht immer einfach zu lösen. Für viele Arten von Differentialgleichungen gibt es aber allgemeine “Schemata”, um diese Art von Differentialgleichung zu lösen. Daher ist es wichtig, eine vorliegende Differentialgleichung nach ihrem Aufbau zu unterscheiden (beispielsweise Differentialgleichung 1. oder 2. Ordnung, lineare oder nicht-linerare Differentialgleichung). In dem folgenden Kapitel werden nun die grundlegenden Arten bzw. Unterscheidungsmerkmale von Differentialgleichungen vorgestellt.

Explizite oder implizite Darstellung einer Differentialgleichung

In der Physik (in Anlehnung an die Newtonschen Gesetze) “schreibt” man vielfach eine Differentialgleichung beginnend mit der höchsten Ableitung. Allgemein wird eine Differentialgleichung als explizit, wenn sie nach der höchsten Ableitung “umgestellt” ist

y′ = 2y + 3x (=> explizite Form)

Explizit bedeutet also, dass die höchste vorkommende Ableitung auf einer Seite der Gleichung alleine steht. Alle anderen Formen einer Differentialgleichung werden als implizit bezeichnet.

Variablen einer Differentialgleichung

Eine Differentialgleichung kann eine unterschiedliche Zahl von Variablen haben. Kommt in einer Differentialgleichung nur Ableitungen nach einer Variablen vor, wird die Differentialgleichung als gewöhnlich bezeichnet. Das bedeutet, die abgeleitete Funktion ist nur von einer Variablen abhängig. Ist dies nicht der Fall, wird die entsprechende Differentialgleichung als partiell bezeichnet.

y′ + 3x = 2y (=> gewöhnliche Form)

Bei einer partielle Differentialgleichung liegt eine Gleichung vor, die eine unbekannte Funktion mehrerer Variabler mit einer oder mehrerer Ableitungen enthält.

Lineare und nicht-lineare Differentialgleichung

Differentialgleichungen lassen sich noch in lineare und nicht-lineare Differentialgleichungen unterteilen.

y′ = y + y′ + y″ (lineare Differentialgleichung)
y′ = y² (nicht-lineare Differentialgleichung)

Nicht-lineare Differentialgleichungen liegen vor, wenn die Ableitungen (oder die Funktion) in der Differentialgleichung

  • in einer Potenz vorkommt, z.B. (y′′)²
  • Funktion bzw. Ableitung und Ableitung miteinander multipliziert werden: y′·y′′
  • nicht-linearen Funktionen in der Differentialgleichung vorkommen, z.B. Sinus-Funktion

Unterschiedliche Variablen in einer Differentialgleichung

Diese Art der Unterscheidung verwendet man nur bei linearen Differentialgleichungen. So unterscheidet man bei linearen Differentialgleichungen zwischen homogener und inhomogener Differentialgleichung

y′ + 3x = 2y (=> inhomogene Form)
y′ = 2y (=> homogene Form)

Homogene Differentialgleichungen enthalten neben der Funktion bzw. deren Ableitungen keine weiteren “Störfunktionen”.


Arten von Differentialgleichungen – Einteilung von DGL – Testfragen/-aufgaben

1. Was versteht man unter einer Differentialgleichung?

Ein Differentialgleichung (in der Regel abgekürzt als DGL) ist ein mathematischer Ausdruck, der die Ableitungen einer unbekannten Funktion enthält. Es handelt sich dabei um eine Gleichung, die den Zusammenhang zwischen einer Funktion und ihren Ableitungen ausdrückt.

2. Welche sind die Hauptkategorien von Differentialgleichungen?

Die Hauptkategorien von Differentialgleichungen sind die gewöhnlichen Differentialgleichungen und die partiellen Differentialgleichungen.

3. Was ist eine gewöhnliche Differentialgleichung?

Eine gewöhnliche Differentialgleichung ist eine Differentialgleichung, die nur eine unabhängige Variable enthält.

4. Was ist eine partielle Differentialgleichung?

Eine partielle Differentialgleichung ist eine Differentialgleichung, die zwei oder mehr unabhängige Variablen enthält.

5. Was bedeutet es, wenn eine Differentialgleichung “homogen” ist?

Eine Differentialgleichung wird als homogen bezeichnet, wenn alle Terme der Gleichung die gleiche Ordnung von Ableitungen der gesuchten Funktion(en) haben.

6. Was bedeutet es, wenn eine Differentialgleichung “inhomogen” ist?

Wenn eine Differentialgleichung Terme enthält, die frei von der gesuchten Funktion und ihren Ableitungen sind, nennt man sie inhomogen.

7. Was ist eine “lineare Differentialgleichung”?

Eine lineare Differentialgleichung ist eine Differentialgleichung, in der die gesuchte Funktion und ihre Ableitungen nur in der ersten Potenz und nicht multipliziert untereinander auftreten.

8. Wie heißt eine Differentialgleichung, die nicht linear ist?

Eine Differentialgleichung, die nicht den Regeln der linearen Differentialgleichungen entspricht, wird als nichtlineare Differentialgleichung bezeichnet.

9. Worin unterscheiden sich explizite und implizite Differentialgleichungen?

Eine explizite Differentialgleichung enthält die gesuchte Funktion nur einmal und sie steht alleine auf einer Seite der Gleichung, während bei einer impliziten Differentialgleichung, die gesuchte Funktion mehrfach vorkommen kann und auf beiden Seiten der Gleichung stehen kann.

10. Wie können Differentialgleichungen gelöst werden?

Differentialgleichungen können durch verschiedene Methoden gelöst werden, darunter durch direkte Integration, durch Trennung der Variablen, durch den Gebrauch von Integrationsfaktoren, durch spezielle Lösungstechniken für lineare Differentialgleichungen oder durch numerische Verfahren.

Autor: , Letzte Aktualisierung: 27. Juli 2023