TU Wien:Analysis 2 UE (diverse)/Übungen SS23/Beispiel 368

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Man bestimme die allgemeine Lösung der folgenden quasilinearen Differentialgleichung für u=u(x,y):

(x+u)ux+(y+u)uy+u=0.

Hinweis: Die zugehörigen Phasen-Differentialgleichungen für x=x(u), y=y(u) können durch die Substitution v=xu bzw. v=yu implizit gelöst werden.

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Lösungsvorschlag

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Der Ansatz f(x,y,u)=const liefert die Rumpf-Differentialgleichung

(x+u)fx+(y+u)fy−ufu=0

mit dem zugehörigem charakteristischen Differenzialgleichungssystem

x˙=x+u, y˙=y+u und u˙=−u

Die entsprechenden Phasen-Differenzialgleichungen liefern

dxdu=−x+uu und dydu=−y+uu

welche einzeln über die Substitutionen aus der Angabe leicht implizit gelöst werden:

v=xu, x=vu

dxdu=dvduu+v

dvduu+v=vu+uu

... kürzen, Variablen trennen, integrieren, rücksubstituieren, ergibt:

u2+2xu=const und u2+2yu=const

Daher lautet die allgemeine Lösung für diese Differenzialgleichung:

f(x,y,u)=F(u2+2xu,u2+2yu)=const