$\newcommand{\N}{\mathbb N} \newcommand{\Z}{\mathbb Z} \newcommand{\Q}{\mathbb Q} \newcommand{\R}{\mathbb R} \renewcommand{\C}{\mathbb C} \newcommand{\ba}{\mathbf{a}} \newcommand{\bb}{\mathbf{b}} \newcommand{\bc}{\mathbf{c}} \newcommand{\bd}{\mathbf{d}} \newcommand{\be}{\mathbf{e}} \newcommand{\bbf}{\mathbf{f}} \newcommand{\bh}{\mathbf{h}} \newcommand{\bi}{\mathbf{i}} \newcommand{\bj}{\mathbf{j}} \newcommand{\bk}{\mathbf{k}} \newcommand{\bN}{\mathbf{N}} \newcommand{\bn}{\mathbf{n}} \newcommand{\bo}{\mathbf{0}} \newcommand{\bp}{\mathbf{p}} \newcommand{\bq}{\mathbf{q}} \newcommand{\br}{\mathbf{r}} \newcommand{\bs}{\mathbf{s}} \newcommand{\bT}{\mathbf{T}} \newcommand{\bu}{\mathbf{u}} \newcommand{\bv}{\mathbf{v}} \newcommand{\bw}{\mathbf{w}} \newcommand{\bx}{\mathbf{x}} \newcommand{\by}{\mathbf{y}} \newcommand{\bz}{\mathbf{z}} \newcommand{\bzero}{\mathbf{0}} \newcommand{\nv}{\mathbf{0}} \newcommand{\cA}{\mathcal{A}} \newcommand{\cB}{\mathcal{B}} \newcommand{\cC}{\mathcal{C}} \newcommand{\cD}{\mathcal{D}} \newcommand{\cE}{\mathcal{E}} \newcommand{\cF}{\mathcal{F}} \newcommand{\cG}{\mathcal{G}} \newcommand{\cH}{\mathcal{H}} \newcommand{\cI}{\mathcal{I}} \newcommand{\cJ}{\mathcal{J}} \newcommand{\cK}{\mathcal{K}} \newcommand{\cL}{\mathcal{L}} \newcommand{\cM}{\mathcal{M}} \newcommand{\cN}{\mathcal{N}} \newcommand{\cO}{\mathcal{O}} \newcommand{\cP}{\mathcal{P}} \newcommand{\cQ}{\mathcal{Q}} \newcommand{\cR}{\mathcal{R}} \newcommand{\cS}{\mathcal{S}} \newcommand{\cT}{\mathcal{T}} \newcommand{\cU}{\mathcal{U}} \newcommand{\cV}{\mathcal{V}} \newcommand{\cW}{\mathcal{W}} \newcommand{\cX}{\mathcal{X}} \newcommand{\cY}{\mathcal{Y}} \newcommand{\cZ}{\mathcal{Z}} \newcommand{\pv}{\overline} \newcommand{\re}{\operatorname{Re}} \newcommand{\im}{\operatorname{Im}} \newcommand{\arsinh}{\operatorname{ar\,sinh}} \newcommand{\arcosh}{\operatorname{ar\,cosh}} \newcommand{\artanh}{\operatorname{ar\,tanh}} \newcommand{\diag}{\operatorname{diag}} \newcommand{\proj}{\operatorname{proj}} \newcommand{\rref}{\operatorname{rref}} \newcommand{\rank}{\operatorname{rank}} \newcommand{\Span}{\operatorname{span}} \newcommand{\vir}{\operatorname{span}} \renewcommand{\dim}{\operatorname{dim}} \newcommand{\alg}{\operatorname{alg}} \newcommand{\geom}{\operatorname{geom}} \newcommand{\id}{\operatorname{id}} \newcommand{\norm}[1]{\lVert #1 \rVert} \newcommand{\tp}[1]{#1^{\top}} \renewcommand{\d}{\mathrm{d}} \newcommand{\sij}[2]{\bigg/_{\mspace{-10mu}#1}^{\,#2}} \newcommand{\qedhere}{}$

# Separoituva yhtälö¶

Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälöä sanotaan separoituvaksi (separable), jos se on muotoa

(1)$y'(x)=f(x)g(y(x)).$

Jos $$g(y(x))\ne0$$, niin kaava (1) voidaan kirjoittaa muodossa

$\frac{y'(x)}{g(y(x))}=f(x),$

joten integroimalla

$\int\frac{y'(x)}{g(y(x))}\,\d x=\int f(x)\,\d x+C.$

Tehdään vasemmalle puolelle muuttujanvaihto $$y=y(x)$$, jolloin päädytään kaavaan

(2)$\int\frac{dy}{g(y)}=\int f(x)\,\d x+C.$

Funktio $$y$$ voidaan nyt (yrittää) ratkaista tästä yhtälöstä integroimalla. Lisäksi erikoisratkaisuja ovat vielä vakiofunktiot $$y(x)=a$$, missä luku $$a$$ on funktion $$g$$ nollakohta.

Käytännössä jokaista vastaan tulevaa separoituvaa yhtälöä kohti kaava (2) “johdetaan” kirjoittamalla ensin

$\frac{\d y}{\d x}=f(x)g(y).$

Tässä kerrotaan formaalisti $$\d x$$:llä ja siirretään muutujasta $$y$$ riippuvat termit vasemmalle ja muuttujasta $$x$$ riipuvat termit oikealle (separointi), jolloin saadaan

$\frac{\d y}{g(y)}=f(x)\,\d x.$

Tästä integroimalla puolittain saadaan

$\int\frac{\d y}{g(y)}=\int f(x)\,\d x+C.$
Ensimmäisen kertaluvun separoituvan differentiaaliyhtälön ratkaisussa on tarkoitus

Huomautus 3.4.1

Separoituviin yhtälöihin liittyvässä kaavassa ja yleisestikin differentiaaliyhtälöiden yhteydessä integroimisvakio kirjoitetaan näkyviin ja merkintä $$\int f(x)\,\d x$$ tarkoittaa yhtä (mitä tahansa) funktion $$f$$ integraalifunktiota. Vertaa huomautukseen puolittain integroinnista.

Esimerkki 3.4.2

Ratkaise differentiaaliyhtälö $$y'=x^2y^3$$.

Ratkaisu

Kyseessä on separoituva differentiaaliyhtälö, jossa $$f(x)=x^2$$ ja $$g(y)=y^3$$. Kirjoitetaan separointia varten $$\dfrac{\d y}{\d x} = x^2y^3$$, jolloin ratkaisut toteuttavat

$\int\frac{\d y}{y^3}=\int x^2\,\d x+C \Leftrightarrow -\frac{1}{2}\frac{1}{y^2}=\frac{1}{3}x^3+C.$

Täten yleiseksi ratkaisuksi saadaan

$y(x) = \pm\frac{1}{\sqrt{-2C - \frac{2}{3}x^3}} = \pm\frac{1}{\sqrt{C^* - \frac{2}{3}x^3}},$

missä $$C^*=-2C$$. Lisäksi erikoisratkaisuna saadaan $$y(x) = 0$$.

Esimerkiksi alkuehdolla $$y(1)=3$$ (siis $$C^*=\frac{7}{9}$$) saadaan ratkaisu

$y(x)=\frac{3}{\sqrt{7-6x^3}},$

missä $$y$$ on määritelty, kun $$x < \sqrt[3]{\frac{7}{6}}$$.

Esimerkki 3.4.3

Tarkastellaan populaation kokoa $$x(t)$$ ajan $$t$$ funktiona. Derivaatta $$x'(t)$$ kuvaa koon muutosnopeutta. Toisin sanoen pienillä $$\Delta t>0$$ on

$x'(t)\approx\frac{x(t+\Delta t)-x(t)}{\Delta t}=\frac{\text{koon muutos}}{\text{aikaväli}}.$

Usein hyvä perusoletus on, että muutosnopeus $$x'(t)$$ on suoraan verrannollinen populaation kokoon, eli

$x'(t)=kx(t).$

Siis esimerkiksi populaation kasvettua kooltaan kaksinkertaiseksi, sen kasvunopeus on myös kaksinkertaistunut. Ratkaistaan tämä yhtälö separoimalla, jolloin

$\frac{\d x}{\d t} = kx \Leftrightarrow \int\frac{\d x}{x} = k\int\d t + C \Leftrightarrow \ln x = kt + C.$

Kääntämällä luonnollisen logaritmifunktion saadaan yleiseksi ratkaisuksi

$x(t) = e^{kt + C} = e^{C}e^{kt} = C^*e^{kt},$

missä $$C^* = e^{C} > 0$$. Jos hetkellä $$t=0$$ populaation koko on $$x_0$$, niin $$x(0)=C^*e^0=C^*=x_0$$, joten

$x(t)=x_0e^{kt}.$

Populaation koko siis kasvaa eksponentiaalisesti, jos $$k>0$$ ja vähenee eksponentiaalisesti, jos $$k<0$$.

Esimerkki 3.4.4

Merkitään radioaktiivisen näytteen radioaktiivisen isotoopin ydinten lukumäärää ajan $$t$$ funktiolla $$N(t)$$. Hajoavien ydinten lukumäärä aikayksikössä eli $$-N'(t)$$ on suoraan verrannollinen ydinten lukumäärään, eli

$N'(t)=-kN(t),$

missä verrannollisuuskerroin $$k > 0$$. Esimerkin 3.4.3 mukaan

$N(t)=N_0e^{-kt},$

missä $$N_0=N(0)$$. Olkoon $$\tau>0$$ vakio ja lasketaan lukumäärien $$N(t+\tau)$$ ja $$N(t)$$ suhde.

$\frac{N(t+\tau)}{N(t)}=\frac{N_0e^{-k(t+\tau)}}{N_0e^{-kt}}=e^{-k\tau}$

Huomataan, että suhde ei riipu alkuajanhetkestä $$t$$. Sovitaan, että $$\tau$$ on puoliintumisaika, jonka kuluessa aktiivisten ytimien lukumäärä puolittuu. Nyt

$e^{-k\tau}=\frac12 \Leftrightarrow -k\tau=\ln\frac12=-\ln 2 \Leftrightarrow\tau=\frac{\ln 2}{k}.$

Vakiota $$k$$ kutsutaan hajoamisvakioksi.

Esimerkki 3.4.5

Erään maan väkiluku vuonna 2019 on $$1~500~000$$. Oletetaaan, että maan oma väestö lisääntyy $$4~\%$$ vuodessa ja tämän lisäksi vuosittain maahan muuttaa $$50~000$$ asukasta. Selvitä maan väkiluku ajan funktiona. Mikä on väkiluku vuonna 2039?

Ratkaisu

Merkitään väkilukua $$x(t)$$ ajan $$t$$ (vuosina, $$t=0$$ vuonna 2019) funktiona. On ratkaistava alkuarvotehtävä

$x'(t)=0{,}04x(t)+50~000,\qquad x(0)=1~500~000.$

Voidaan kirjoittaa

$\frac{\d x}{\d t}=0{,}04(x(t)+1~250~000),$

eli yhtälö on separoituva ja

$\int\frac{\d x}{x + 1~250~000} = 0{,}04\int\d t + C \Leftrightarrow \ln(x + 1~250~000) = 0{,}04t + C.$

Ratkaistaan tästä funktio $$x$$ yleisessä muodossa

$x(t) = e^{0{,}04t + C} - 1~250~000 = C^*e^{0{,}04t} - 1~250~000.$

Alkuehdosta saadaan $$x(0)=C^{*}-1~250~000=1~500~000$$, joten $$C^*=2~750~000$$. Niinpä väkiluku ajan $$t$$ funktiona on

$x(t)=2~750~000e^{0{,}04t}-1~250~000$

ja vuonna 2039 väkiluku on $$x(20)\approx4~870~000$$.

Esimerkki 3.4.6

Ratkaistaan esimerkin 3.1.1 yhtälö (1), eli

$\frac{\d T}{\d t}=-k(T-T_u).$

Havaitaan, että tämä separoituu, jolloin

$\int\frac{\d T}{T - T_u} = -k\int\d t + C^{**} \Leftrightarrow \ln|T - T_u| = -kt + C^{**} \Leftrightarrow |T - T_u| = C^*e^{-kt},$

missä $$C^* = e^{C^{**}}$$. Täten

$T = T_u \pm C^*e^{-kt} = T_u + Ce^{-kt},$

missä $$C = \pm C^{*} = \pm e^{C^{**}}$$.

Yleisen ratkaisun termi $$Ce^{-kt}\to0$$, kun $$t\to\infty$$, eli vesilasin lämpötila lähestyy asymptoottiseti ympäröivän ilman lämpötilaa ajan kuluessa, kuten pitääkin. Merkitään vesilasin alkulämpötilaa $$T(0)=T_0$$. Jos vesilasi on aluksi ilmaa lämpimämpi eli $$T_0-T_u>0$$, niin $$C>0$$ ja lämpötila $$T(t)$$ vähenee kohti raja-arvoaan $$T_u$$. Jos vesilasi on aluksi ilmaa kylmempi eli $$T_0-T_u<0$$, niin $$C<0$$ ja lämpötila $$T(t)$$ kasvaa kohti raja-arvoaan $$T_u$$. Oheisessa kuvassa ratkaisu kahdella erimerkkisellä parametrin $$C$$ arvolla.

Erikoisratkaisuun $$T(t)=T_u$$ päädytään siloin, kun vesilasin alkulämpötila sama kuin ympäröivän ilman lämpötila.

Palautusta lähetetään...