Differentialgleichungen: Übungsaufgaben mit Schritt-für-Schritt-Lösungen

Auch genannt: DGL · gewöhnliche Differentialgleichungen

Kostenlose Übungsaufgaben zu Differentialgleichungen mit Skizzen, Tipps und vollständigen Musterlösungen. Jedes Mal neue Werte, in drei Stufen: exponentielles Wachstum und exponentieller Zerfall, Newtonsches Abkühlungsgesetz, lineare DGL erster Ordnung.

Kostenlose ÜbungsaufgabeLeicht
ty1

Ein Feder-Masse-Dämpfer-System wird durch y″ + 4,8y′ + 4y = 0 beschrieben. Vergleiche es mit y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 und bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

y″ + 4,8y′ + 4y = 0
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Was du übst

  1. Leichtexponentielles Wachstum und exponentieller Zerfall
  2. MittelNewtonsches Abkühlungsgesetz
  3. Schwerlineare DGL erster Ordnung

Wichtige Formeln

Exponentielles Wachstum/exponentieller Zerfall
dy/dt = ky → y = y0ekt
Halbwertszeit
k = ln 2 / t½
Newtonsches Abkühlungsgesetz
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Integrierender Faktor
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Mischbehälter
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Differentialgleichungen von Grund auf lernen

Davor: Ableitungen, Integrale

1Was eine Differentialgleichung ist

Eine Differentialgleichung verknüpft eine Größe mit ihrer eigenen Änderungsrate. Sie beschreibt, wie sich etwas ändert, nicht was es ist.

Bakterien teilen sich, eine größere Kolonie wächst also schneller. Die Wachstumsrate ist proportional zur Zellzahl N:

dN/dt = k · N

Hier ist dN/dt die Ableitung von N nach der Zeit t, und k ist die Geschwindigkeitskonstante. Mit k = 0,4 h⁻¹ und N = 1000 Zellen wächst die Kolonie in diesem Moment um 400 Zellen pro Stunde.

Die Gleichung zu lösen heißt, die Funktion N(t) selbst zu finden. Du brauchst auch einen Anfangswert, etwa N(0) = 200. Das heißt Anfangsbedingung.

Selbsttest Eine Population folgt dN/dt = 0,2 · N. In diesem Moment ist N = 500. Wie schnell wächst sie?
  1. 0,2 pro Stunde
  2. 100 pro Stunde
  3. 2500 pro Stunde
  4. 500 pro Stunde

Antwort: 100 pro Stunde. Setze die Zahlen in die Gleichung ein: dN/dt = 0,2 · 500 = 100. 500 durch 0,2 zu teilen ergibt 2500, das verwendet k falsch herum.

2Exponentielles Wachstum und Zerfall

Die Gleichung dy/dt = k·y hat immer dieselbe Lösung, eine Exponentialfunktion:

y(t) = y0 · ekt

Hier ist y0 der Wert bei t = 0. Ein positives k bedeutet Wachstum. Für den Zerfall lautet die Gleichung dy/dt = −k·y und die Lösung y = y0e−kt.

Radioaktiver Zerfall wird oft durch seine Halbwertszeit t½ angegeben: die Zeit, nach der die Hälfte der Substanz übrig ist. Die Geschwindigkeitskonstante folgt daraus:

k = ln 2 / t½

Um eine Zeit zu bestimmen, bilde auf beiden Seiten den natürlichen Logarithmus:

t = ln(y / y0) / k

Zum Beispiel erreichen 200 Zellen, die mit k = 0,4 h⁻¹ wachsen, nach t = ln(5)/0,4 ≈ 4,02 h die Zahl 1000.

Selbsttest Eine Substanz hat eine Halbwertszeit von 10 Tagen. Du beginnst mit 80 mg. Wie viel ist nach 20 Tagen übrig?
  1. 0 mg
  2. 20 mg
  3. 40 mg
  4. 60 mg

Antwort: 20 mg. 20 Tage sind zwei Halbwertszeiten: 80 → 40 → 20 mg. 0 mg entsteht durch den Gedanken, dass zwei Hälften das Ganze ergeben; die Menge halbiert sich jedes Mal.

3Abkühlung und lineare Gleichungen

Newtonsches Abkühlungsgesetz: Ein heißer Körper kühlt schneller ab, wenn er viel heißer als der Raum ist. Mit der Raumtemperatur Ta:

dT/dt = −k · (T − Ta) ⇒ T(t) = Ta + (T0 − Ta) · e−kt

Die Differenz T − Ta nimmt exponentiell ab, die Temperatur nähert sich also der Raumtemperatur und fällt nie darunter.

Um k aus einer Messung zu bestimmen, setze die bekannten Werte ein und bilde ln: k = −ln[(T1 − Ta)/(T0 − Ta)] / t1.

Eine lineare Differentialgleichung erster Ordnung hat die Form y′ + p(x)·y = q(x). Multipliziere sie mit dem integrierenden Faktor μ:

μ = e∫p dx, (μ·y)′ = μ·q

Integriere dann beide Seiten und teile durch μ. Für p = 2/x ist μ = e2 ln x = x².

Selbsttest Tee mit 90 °C wird in einem Raum mit 20 °C stehen gelassen. Welcher Temperatur nähert er sich nach sehr langer Zeit?
  1. 0 °C
  2. 20 °C
  3. 55 °C
  4. 90 °C

Antwort: 20 °C. Der Term (T0 − Ta)e−kt geht gegen 0, T nähert sich also Ta = 20 °C. 0 °C wäre die Antwort, wenn man die Raumtemperatur vergisst.

4Das Verfahren Schritt für Schritt

  1. Erkenne den Typ: dy/dt = ky (Wachstum oder Zerfall), das newtonsche Abkühlungsgesetz oder y′ + p(x)y = q(x).
  2. Schreibe die Standardlösung für diesen Typ auf.
  3. Bestimme mit den gegebenen Daten die Konstanten: y0 aus dem Anfang, k aus einer Halbwertszeit oder einer zweiten Messung.
  4. Beantworte die Frage: Setze eine Zeit ein, um einen Wert zu finden, oder verwende ln, um eine Zeit zu finden.
  5. Prüfe die Einheiten von k (h⁻¹, min⁻¹) gegen die Einheiten von t.

Bei einer linearen Gleichung: Bestimme μ, integriere (μy)′ = μq, füge die Konstante C hinzu und bestimme C dann mit der Anfangsbedingung.

5Ein durchgerechnetes Beispiel

Folge jedem Schritt. Versuche, den nächsten vorherzusagen, bevor du ihn öffnest.

Durchgerechnetes Beispiel

Ein radioaktiver Tracer hat eine Halbwertszeit von 8 Tagen. Eine Probe enthält anfangs 60 mg. Der Zerfall folgt dm/dt = −k·m. Wie viel m bleibt nach 12 Tagen übrig?

1

Den Typ erkennen

Das ist exponentieller Zerfall, die Lösung lautet also:

m(t) = m0 · e−kt, m0 = 60 mg
2

k aus der Halbwertszeit bestimmen

k = ln 2 / 8 = 0,6931 / 8 = 0,08664 Tag⁻¹
3

Die Zeit einsetzen

k · t = 0,08664 · 12 = 1,0397
m = 60 · e−1,0397 = 60 · 0,3536 = 21,21 mg
4

Antwort prüfen

12 Tage sind 1,5 Halbwertszeiten. Nach 8 Tagen sind 30 mg übrig und nach 16 Tagen 15 mg, 21,2 mg liegt also dazwischen, wie erwartet.

60 · 0,51,5 = 21,21 mg
tm608301615247,51221,2
Antwort

Nach 12 Tagen bleiben m ≈ 21,2 mg übrig.

6Häufige Fehler

  • Beim newtonschen Abkühlungsgesetz vergessen, die Raumtemperatur Ta abzuziehen und wieder hinzuzufügen.
  • Einen positiven Exponenten für den Zerfall verwenden, sodass die Menge wächst, statt zu schrumpfen.
  • log10 statt des natürlichen Logarithmus ln verwenden.
  • Zeiteinheiten mischen, etwa k in min⁻¹ mit t in Stunden.
  • Bei einem integrierenden Faktor nur die linke Seite mit μ multiplizieren.
Selbsttest Ein Bauteil mit 80 °C kühlt in einem Raum mit 20 °C ab. Zu einem Zeitpunkt t ist e−kt = 0,5. Welche Temperatur hat es dann?
  1. 30 °C
  2. 40 °C
  3. 50 °C
  4. 60 °C

Antwort: 50 °C. T = 20 + (80 − 20) · 0,5 = 20 + 30 = 50 °C. 80 direkt zu halbieren ergibt 40 °C, das vergisst die Raumtemperatur.

7So sehen Prüfungsaufgaben aus

  • Leicht: exponentielles Wachstum und Zerfall. Bestimme die Menge nach einer Zeit oder die Zeit bis zu einer Menge, oft aus einer Halbwertszeit.
  • Mittel: das newtonsche Abkühlungsgesetz. Bestimme mit einer Messung k und dann eine Temperatur oder eine Zeit.
  • Schwer: eine lineare Gleichung erster Ordnung wie y′ + 2y/x = 3 mit y(1) = 1. Verwende den integrierenden Faktor und bestimme y bei einem anderen x.

Eine schnelle Probe: Antworten bei Zerfall und Abkühlung müssen zwischen dem Anfangswert und dem Endwert liegen (0 oder die Raumtemperatur).

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Beispielaufgaben

Beispiel 1Leicht
rr² + br + c?

Bestimme für die Gleichung y″ + 4y′ + 3y = 0 die Wurzel r der charakteristischen Gleichung, die am nächsten bei null liegt. Sie bestimmt, wie langsam die Lösung abklingt.

y″ + 4y′ + 3y = 0

Gesucht: r

Tipps anzeigen
  1. Setze y = ert ein.
  2. r² + 4r + 3 = 0.
  3. Zerlege in Faktoren oder verwende die Lösungsformel für quadratische Gleichungen.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Lineare Gleichungen zweiter Ordnung: Für y″ + b·y′ + c·y = 0 mache den Ansatz y = ert: Das ergibt die charakteristische Gleichung r² + b·r + c = 0. Zwei reelle Wurzeln r₁ ≠ r₂ ergeben y = A·er₁t + B·er₂t (überdämpft); eine doppelte Wurzel r ergibt y = (A + Bt)·ert (aperiodischer Grenzfall); komplexe Wurzeln −α ± jω ergeben y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (unterdämpft, schwingend). Die Anfangswerte y(0) und y′(0) legen A und B fest. In der Form y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 ist ωn die Eigenfrequenz und ζ der Dämpfungsgrad: Für ζ < 1 schwingt das System. Bei konstanter Eingangsgröße, y″ + by′ + cy = c·K, ist die Lösung der stationäre Wert K plus die freie Antwort.

Charakteristische Gleichung

r² + 4r + 3 = (r + 1)(r + 3) = 0

Wurzeln

r = −1, r = −3
am nächsten bei null: r = −1

Antwort

r = −1

Die allgemeine Lösung ist y = A·e−1t + B·e−3t.

Beispiel 2Mittel
t (min)T (°C)5Ta​73 °C50 °C

Eine Tasse Kaffee mit 81 °C steht in einem Raum mit 21 °C. Nach 5 min beträgt die Temperatur 73 °C. Sie folgt dem Newtonschen Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ). Wie lange nach dem Start, t, dauert es, bis 50 °C erreicht sind?

T0 = 81 °CTa = 21 °CT(5) = 73 °CT = 50 °C

Gesucht: t (min)

Tipps anzeigen
  1. Bestimme zuerst k aus der Messung bei t = 5 min.
  2. k = ln(60/52)/5 = 0,02862 min⁻¹.
  3. t = ln((T₀ − Tₐ)/(T − Tₐ))/k.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Differentialgleichungen erster Ordnung: dy/dt = k·y hat die Lösung y = y₀·ekt (Wachstum für k > 0, Zerfall für k < 0); eine Halbwertszeit T ergibt k = ln 2/T. Das Newtonsche Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ) ergibt T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Eine lineare Gleichung y′ + p(x)·y = q(x) löst man mit dem integrierenden Faktor μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, also μy = ∫μq dx + C.

Abkühlungskonstante

k = ln(60/52)/5 = 0,02862 min⁻¹

Zeit bis zum Zielwert

t = ln(60/29)/0,02862 = 25,4 min

Antwort

t = 25,4 min
Beispiel 3Schwer
ty1y(1) = ?

Löse y′ + y = 4e−2t mit y(0) = 4. Bestimme y(1).

y′ + y = 4e−2ty(0) = 4

Gesucht: y(1)

Tipps anzeigen
  1. Der integrierende Faktor ist μ = et.
  2. (ety)′ = 4e−t → ety = 4/(−1)·e−t + C.
  3. y = −4·e−2t + C·e−t. Bestimme C mit y(0).
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Differentialgleichungen erster Ordnung: dy/dt = k·y hat die Lösung y = y₀·ekt (Wachstum für k > 0, Zerfall für k < 0); eine Halbwertszeit T ergibt k = ln 2/T. Das Newtonsche Abkühlungsgesetz dT/dt = −k·(T − Tₐ) ergibt T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Eine lineare Gleichung y′ + p(x)·y = q(x) löst man mit dem integrierenden Faktor μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, also μy = ∫μq dx + C.

Integrierender Faktor

μ = et
(ety)′ = 4e−t

Allgemeine Lösung

y = 4/(−1)·e−2t + C·e−t = −4·e−2t + C·e−t

Anfangsbedingung

4 = −4 + C → C = 8

Auswerten

y(1) = −4·0,1353 + 8·0,3679 = 2,402

Antwort

y(1) = 2,402

Fragen und Antworten

Differentialgleichungen: Worum geht es?

Eine Differentialgleichung verknüpft eine Größe mit ihrer eigenen Änderungsrate. Sie beschreibt, wie sich etwas ändert, nicht was es ist.

Bakterien teilen sich, eine größere Kolonie wächst also schneller. Die Wachstumsrate ist proportional zur Zellzahl N:

Differentialgleichungen: Wie löst man die Aufgaben Schritt für Schritt?

Lineare Gleichungen zweiter Ordnung: Für y″ + b·y′ + c·y = 0 mache den Ansatz y = ert: Das ergibt die charakteristische Gleichung r² + b·r + c = 0. Zwei reelle Wurzeln r₁ ≠ r₂ ergeben y = A·er₁t + B·er₂t (überdämpft); eine doppelte Wurzel r ergibt y = (A + Bt)·ert (aperiodischer Grenzfall); komplexe Wurzeln −α ± jω ergeben y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (unterdämpft, schwingend). Die Anfangswerte y(0) und y′(0) legen A und B fest. In der Form y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 ist ωn die Eigenfrequenz und ζ der Dämpfungsgrad: Für ζ < 1 schwingt das System. Bei konstanter Eingangsgröße, y″ + by′ + cy = c·K, ist die Lösung der stationäre Wert K plus die freie Antwort.

Differentialgleichungen: Welche Fehler passieren am häufigsten?
  • Das ist die andere Wurzel, weiter von null entfernt; ihr Term klingt schneller ab.
  • r² + br + c = 0 mit positivem b und c hat negative Wurzeln.
  • −b/2 ist der Mittelpunkt der Wurzeln, keine Wurzel.
Differentialgleichungen: Was wird geübt?
  • Leicht: exponentielles Wachstum und exponentieller Zerfall
  • Mittel: Newtonsches Abkühlungsgesetz
  • Schwer: lineare DGL erster Ordnung

Jede Aufgabe hat neue Werte, so lernst du den Lösungsweg statt einer Antwort. Du hängst fest? Öffne zuerst einen kleinen Tipp und die vollständige Erklärung erst, wenn du sie brauchst.

So funktioniert das Üben

  • Jede Aufgabe hat neue Werte, so lernst du den Lösungsweg statt einer Antwort.
  • Du hängst fest? Öffne zuerst einen kleinen Tipp und die vollständige Erklärung erst, wenn du sie brauchst.
  • Dein Fortschritt, deine Fehler und gespeicherten Aufgaben bleiben erhalten, damit du vor der Prüfung wiederholen kannst.

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