Løsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 0 I kapittel 0 får du trening i å løse ulike typer differensialligninger, og her får du bruk for integrasjonsteknikkene du lærte i forrige kapittel. Men vel så viktig som det regnemessige, er det å lære seg hvordan man tenker når man skal stille opp differensialligninger for å løse praktiske problemer. Dette finner du eksempler på i oppgavene til seksjon 0. og 0.4. Dersom du finner noen feil eller trykkfeil i løsningsforslagene, er det fint om du gir meg beskjed på epostadressen klara@math.uio.no. Oppgave 0..3 a) Vi skal finne alle løsningene til differensialligningen y x y = x på intervallet (0, ). Den integrerende faktoren blir her e x dx = e ln x = x og multiplikasjon med denne faktoren gir ligningen x y x 3 y = [x y] = Ved å integrere på begge sider får vi x y = x + C som gir løsningen y = x 3 + Cx b) Vi skal finne alle løsningene til differensialligningen y xy = e x. Her er integrerende faktor e x dx = e x og multiplikasjon med denne faktoren gir ligningen e x y xe x y = [ e x y ] = Ved å integrere på begge sider får vi e x y = x + C 70
som gir løsningen y = e x (x + C) d) Vi skal finne alle løsningene til differensialligningen y + x y = arctan x x på intervallet (0, ). Den integrerende faktoren blir e x dx = e ln x = x og multiplikasjon med denne faktoren gir ligningen x y + xy = arctan x [x y] = arctan x Ved å integrere på begge sider får vi x y = x arctan x ln( + x ) + C (se nedenfor) som gir løsningen y = arctan x x x ln( + x ) + C x Ovenfor har vi benyttet delvis integrasjon til å løse integralet x arctan x dx = x arctan x + x dx u = arctan x, v = u = +x, v = x = x arctan x ln( + x ) + C Oppgave 0..7 Vi skal løse differensialligningen (x + )y + y = 0, x >. Denne ligningen er på formen (x + )y + y = der vi gjenkjenner venstre side som den deriverte til (x + )y, slik at ligningen kan skrives [(x + )y] = Ved å integrere på begge sider får vi (x + )y = x + D 7
som gir løsningen y = x + D x + der vi har satt C = D. = x + + (D ) x + = + C x + Oppgave 0..9 a) Vi skal løse integralet x (x+)(x +x+5) dx. Vi ser at nevneren ikke kan faktoriseres ytterligere, siden faktoren x + x + 5 = (x + ) + 4 ikke har noe nullpunkt. Delbrøkoppspaltning av integranden gir x (x + )(x + x + 5) = A x + + Bx + C x + x + 5 x = A(x + x + 5) + (Bx + C)(x + ) = (A + B)x + (A + B + C)x + (5A + C) Sammenholder vi koeffisientene på hver side av identiteten, får vi som gir A + B = 0, A + B + C =, 5A + C = Dermed har vi x (x + )(x + x + 5) dx = A =, B =, C = 3 ( ) x + + x + 3 x dx + x + 5 delbrøkoppspaltning (x + ) + = ln x + + x + x + 5 dx = ln x + + x + x + x + 5 dx + (x + ) + 4 dx = ln x + + ln x + x + 5 + 4[( x+ ) + ] dx = ln x + + ln(x + x + 5) + u + du u = x+, du = dx = ln x + + ln(x + x + 5) + arctan(u) + C = ln x + + ( ) x + ln(x + x + 5) + arctan + C 7
b) Vi skal finne alle løsninger til differensialligningen dy dx + x y = x + x + 5 hvor x > Den integrerende faktoren blir e x dx ( = e x x+ ) dx x ln( = e x+ ) = x x + Multipliserer vi ligningen med den integrerende faktoren, får vi [ ( )] x y = x + x + x + 5 x x + ( ) x x y = x + (x + )(x + x + 5) dx ( ) x + x y = x (x + )(x + x + 5) dx Men det siste integralet regnet vi ut i punkt a), så vi har ialt ( )( x + y = ln x + + ( x + ) x ln(x + x + 5) + arctan ) + C Oppgave 0.. La y(t) være befolkningstallet ved tiden t. Endringen i befolkningen per år er da gitt ved y (t). Denne endringen skyldes dels en befolkningsvekst på 0.0y(t) per år, og dels en netto innvandring på 40 000 personer per år. Setter vi de to uttrykkene for befolkningsveksten lik hverandre, får vi y = 0.0y + 40 000 0.0 Den integrerende faktoren er e dt = e 0.0t, og multipliserer vi ligningen med denne, får vi e 0.0t y 0.0e 0.0t y = 40 000e 0.0t [ e 0.0t y ] = 40 000e 0.0t Integrerer vi begge sider av ligningen, får vi som gir den generelle løsningen e 0.0t y = 000 000e 0.0t + C y = Ce 0.0t 000 000 73
Initialbetingelsen y(0) = 000000 gir y(0) = C 000 000 = 000 000 Det betyr at C = 4 000 000, så vår løsning blir y(t) = 4 000 000e 0.0t 000 000 Oppgave 0..7 La y(t) være vannmengden i demningen ved tiden t. Endringen i vannmengden per sekund er da gitt ved y (t). Denne endringen skyldes dels et tilsig på 00 m 3 vann per sekund, og dels et utslipp på 0 6 y(t) m 3 vann per sekund. Setter vi de to uttrykkene for endringen i vannmengden lik hverandre, ser vi at y (t) = 00 0 6 y(t) at vi får den oppgitte differensialligningen y (t) + 0 6 y(t) = 00 Dette er en første ordens, lineær differensialligning, og multipliserer vi ligningen med den integrerende faktoren e 0 6t, får vi Integrerer vi på begge sider, får vi (e 0 6t y(t)) = 00e 0 6 t e 0 6t y(t) = 00 6t e0 + C = 0 8 e 0 6t + C 0 6 y(t) = 0 8 + C e 0 6 t Når demningen er full inneholder den 0 8 m 3 vann. Vi skal finne ut hvor lang tid det tar fra demningen er tom til den er halvfull. La oss starte målingen av tiden når demningen er tom, at y(0) = 0. Ved hjelp av denne initialbetingelsen får vi bestemt konstanten C: y(0) = 0 0 8 + C = 0 C = 08 e0 Så den spesielle løsningen blir y(t) = 0 8 08 e 0 6 t = 08( e 0 6 t 74 )
Vi skal finne ut hvor lang tid t det tar før y(t) = 08. Vi har 0 8( ) = e 0 6 t 08 ( ) = e 0 6 t e = 0 6 t e 0 6t = t = 0 6 ln Det tar altså 0 6 ln sekunder fra demningen er tom til den er halvfull. Oppgave 0.. a) En melkekartong der temperaturen var 6 C ble stående på kjøkkenbenken i timer. Da var temperaturen i melka 3 C. Lufttemperaturen var 0 C. La T (t) være temperaturen i melka ved tiden t, og la A være lufttemperaturen utenfor melkekartongen. Vi regner med at temperaturen i melka endrer seg med en hastighet som er proporsjonal med differansen mellom lufttemperaturen og temperaturen i melka. Dette betyr at T (t) = α(a T (t)) at temperaturen i melka er beskrevet ved differensialligningen T + αt = αa Multipliserer vi med den integrerende faktoren e αt, får vi og integrasjon på begge sider gir T e αt + αe αt T = αe αt A [ e αt T ] = αe αt A e αt T = e αt A + B T (t) = A + Be αt Når melka står på kjøkkenbenken er temperaturen i lufta omkring melkekartongen gitt ved lufttemperaturen, at A = 0. Ved tiden t = 0 er temperaturen i melka 6 C. Dette gir oss T (0) = 0 + B = 6 B = 4 75
Ved tiden t = var temperaturen 3 C, hvilket gir at T () = 0 4e α = 3 e α = α = ln = ln α = ln Dermed er temperaturen til melka etter t timer gitt ved T (t) = 0 4e t ln b) Temperaturen i melka etter tre timer er T (3) = 0 4e 3 ln ln 3/ = 0 4e = 0 3/ 4 5.05 at temperaturen er ca 5.05 C. c) Da temperaturen i melka var 5 C, ble den satt inn i kjøleskapet. Etter time var temperaturen i melka C. Vi skal finne temperaturen T k i kjøleskapet. Differensialligningen fra punkt a) og dens generelle løsning gjelder fortsatt (spesielt er konstanten α den samme som vi fant i punkt a). Den eneste forskjellen er at lufttemperaturen A utenfor kartongen nå blir lik temperaturen T k i kjøleskapet. Setter vi t = 0 idet kartongen settes inn i kjøleskapet, gir de nye opplysningene oss T (0) = T k + Be α0 = T k + B = 5 T () = T k + Be α = T k + B = Fra den første ligningen ovenfor har vi B = 5 T k som innsatt i den andre ligningen gir T k + 5 T k = ) T k ( = 5 T k = 5 76 4.7574
Så temperaturen i kjøleskapet var ca 4.76 C. Oppgave 0.3. Vi skal løse differensialligningen y 3y = e x med initialbetingelsen y(0) = 0. Multiplikasjon med den integrerende faktoren e 3x gir e 3x y 3e 3x y = e x [ e 3x y ] = e x Ved å integrere på begge sider får vi e 3x y = C e x som gir løsningen y = Ce 3x e x Av initialbetingelsen får vi y(0) = C = 0 C = Så den spesielle løsningen som oppfyller initialbetingelsen vår, er y(x) = e 3x e x Oppgave 0.3.3 Vi skal løse y + y tan x = sin x med initialbetingelsen y(0) =. Substitusjonen u = cos x, du = sin x dx gir sin x tan x dx = cos x dx = du = ln u = ln cos x u Den integrerende faktoren blir dermed e ln cos x = cos x, og multiplikasjon med denne faktoren gir ligningen y cos x + y sin x cos x = sin x cos x = sin x cos x cos x [ y ] = sin x cos x Ved å integrere begge sider av ligningen får vi y = cos x + C cos x som gir løsningen y = C cos x cos x 77 = sin x
Vi bestemmer konstanten C ved hjelp av initialbetingelsen: y(0) = C = C = 4 Så den spesielle løsningen blir y(x) = 4 cos x cos x Oppgave 0.3.5 Vi skal løse differensialligningen x y + xy = arctan x med initialbetingelsen y() = π 4. Her kan vi gjenkjenne venstre side av ligningen direkte som den deriverte til uttrykket yx, slik at ligningen kan skrives [ yx ] = arctan x Vi integrerer på begge sider og løser integralet vi får på høyre side ved hjelp av delvis integrasjon hvor vi setter u = arctan x, v =, u = +x og v = x. Dette gir yx = arctan x dx x = x arctan x + x dx = x arctan x ln( + x ) + C Divisjon med x gir da at den generelle løsningen er y = arctan x x x ln( + x ) + C x Vi bestemmer den ukjente konstanten ved hjelp av initialbetingelsen: y() = arctan ln + C = π 4 C = ln Den spesielle løsningen som tilfredsstiller vår initialbetingelse blir derfor y(x) = arctan x x x ln( + x ) + ln x Oppgave 0.4. a) Differensialligningen y + y 6y = 0 78
har karakteristisk ligning med røtter r + r 6 = 0 r = ± + 4 { 3 = Den generelle løsingen av differensialligningen er dermed c) Differensialligningen har karakteristisk ligning med løsning y(x) = Ce 3x + De x y + 6y + 9y = 0 r + 6r + 9 = (r + 3) = 0 r = 3 Da den karakteristiske ligningen bare har én rot, så er den generelle løsningen av differensialligningen d) Differensialligningen har karakteristisk ligning med røtter y(x) = Ce 3x + Dxe 3x y y + 5y = 0 r r + 5 = 0 r = ± 4 0 = ± i 6 = ± i Da den karakteristiske ligningen har to komplekse røtter, blir den generelle løsningen av differensialligningen y(x) = e x (C cos x + D sin x) Oppgave 0.4.4 a) Vi skal finne den løsningen av y 4y + 4y = 0 som går gjennom (0, ) og (, ). Den karakteristiske ligningen r 4r + 4 = (r ) = 0 79
har bare den ene roten r =, så den generelle løsningen av differensialligningen er y = Ce x + Dxe x Vi bestemmer konstantene ved hjelp av initialbetingelsene: y(0) = Ce 0 + D 0 e 0 = = C = y() = Ce + D e = e + De = = D = e Løsningen er dermed y(x) = e x( ( + e )x ) b) Vi skal finne den løsningen av y + y + 5 4y = 0 som går gjennom, ) og (π, ). Den karakteristiske ligningen ( π har løsningene r = ± r + r + 5 4 = 0 4 5 4 = ± i = ± i Da vi har har to komplekse røtter, er den generelle løsningen av differensialligningen gitt ved y = e x/ (C cos x + D sin x) Vi bestemmer konstantene ved hjelp av initialbetingelsene: ( π ) y = e π/4( C cos π + D sin π ) = e π/4 D = = D = e π/4 y(π) = e π/( C cos(π) + D sin(π) ) = Ce π/ = = C = e π/ Den spesielle løsningen er dermed y(x) = e x/( e π/ cos x + e π/4 sin x ) Oppgave 0.4.6 a) Ved å benytte at sin π 6 = og cos π 6 = 3 80
får vi omskrivningen 3 cos 3x + sin 3x = sin π 6 cos 3x + cos π ( 6 = sin 3x + π ) 6 sin 3x b) Ved å benytte at sin π 4 = og cos π 4 = får vi omskrivningen cos x + sin x = ( cos x + sin x ) = ( sin π 4 cos x + cos π 4 sin x ) = ( x sin + π ) 4 c) Ved å benytte at sin π 3 3 = og cos π 3 = får vi omskrivningen ( 3 3 cos x sin x = cos x ) sin x = (sin π 3 cos x cos π ) 3 sin x ( π ) = sin 3 x Oppgave 0.4.9 To dyrearter lever i et naturlig samspill. Vi lar N (t) og N (t) være antall individer av hver art ved tiden t. Vi setter x(t) = N (t) 300 y(t) = N (t) 0 000 Samspillet mellom artene modelleres ved differensialligningene hvor b og c er positive konstanter. x (t) = by(t) og y (t) = cx(t) 8
a) Det er naturlig å forvente at rovdyrbestanden vil vokse raskest når byttedyrbestanden er størst, og at byttedyrbestanden vil avta raskest når rovdyrbestanden er størst. Den første differensialligningen ovenfor sier at x (og dermed N ) vokser raskest når y (og dermed N ) er størst. Den andre differensialligningen sier at y (og dermed N ) avtar raskest når x (dvs N ) er størst. Det må bety at N er antall rovdyr og N er antall byttedyr. b) Implisitt derivasjon av ligningen x (t) = by(t) gir x (t) = by (t) = b( cx(t)) = bcx(t) hvor vi har benyttet at y (t) = cx(t) ifølge modellen. c) Vi antar at x(0) = x 0 og y(0) = y 0. Vi skal finne x(t) og y(t). Vi bruker først ligningen i punkt b) til å finne x(t). Den karakteristiske ligningen r = bc har løsningene r = ±i bc Den generelle løsingen av x(t) blir dermed x(t) = e 0t( C cos( bc t) + D sin( bc t) ) = C cos( bc t) + D sin( bc t) Nå kan vi derivere uttrykket ovenfor og bruke differensialligningen x (t) = by(t) til å finne y(t). Den generelle løsingen av y(t) blir da y(t) = b x (t) = ( ) C bc sin( bc t) + bcd cos( bc t) b bc ( ) = D cos( bc t) C sin( bc t) b Vi bestemmer konstantene ved hjelp av initialbetingelsene x(0) = C cos( bc 0) + D sin( bc 0) = C = x 0 bc y(0) = b (D cos( bc 0) C sin( bc 0)) = b som gir C = x 0 og D = c y 0. Dermed er løsningen x(t) = x 0 cos( b bc t) + c y 0 sin( bc t) y(t) = y 0 cos( c bc t) b x 0 sin( bc t) 8 bc b D = y 0
d) Observasjoner tyder på at de beste verdiene er b = 0.05 og c = 84. Vi antar at N (0) = 300 og N (0) = 400. Da har vi x 0 = N (0) 300 = 300 300 = 0 y 0 = N (0) 0 000 = 400 0 000 = 8 600 Dermed er tidsforløpet til utviklingen til artene gitt ved N (t) = x(t) + 300 = 680 8600 sin( 4. t) + 300 N (t) = y(t) + 0 000 = 8600 cos( 4. t) + 0 000 (Du må selv skissere grafene til N og N. Benytt gjerne Maple.) Kommentar til grafene: Det er naturlig at toppene (og bunnene) er forskjøvet i forhold til hverandre. Når antall byttedyr er på toppnivå, vokser antall rovdyr raskest. Det medfører at antall byttedyr vil avta slik at veksten i rovdyrstammen blir mindre (antall rovdyr nærmer seg et toppnivå), og etterhvert blir det så få byttedyr at rovdyrene sulter og rovdyrbestanden blir mindre. Da vil antall byttedyr øke igjen, og slik vil det fortsette å svinge. Oppgave 0.7. a) Vi skal løse differensialligningen y = yx og observerer først at y 0 er en løsning. For y 0 kan vi separere ligningen og får y y = x Integrasjon på begge sider av ligningen gir y dy = x dx ln y = 3 x3 + D som betyr at y = e 3 x3 +D = e D e 3 x3 Løsningen blir dermed y = ±e D e 3 x3 = Ce 3 x3 83
hvor C er en vilkårlig konstant. (I utgangspunktet gjelder løsningsformelen for C = ±e D 0, men når C = 0 får vi y 0 som vi allerede har observert er en løsning.) b) Differensialligningen y = x y 3 er separabel og løses ved samme fremgangsmåte som ovenfor. Separasjon av variablene gir først ligningen y 3 y = x Integrasjon på begge sider gir y 3 dy = x dx og løsningen blir 4 y4 = 3 x3 + D y = ± 4 4 3 x3 + C c) Differensialligningen (x + )y + y = 0 har åpenbart den trivielle løsningen y 0. For y 0 er den separabel og kan skrives y y = x + Integrasjon på begge sider gir y dy = Løsningen blir y y = x + dx = ln x + + C ln x + + C 84
d) Differensialligningen kan skrives xyy = + x + y + x y xyy = ( + x ) + y ( + x ) = ( + x )( + y ) ved å faktorisere og trekke sammen uttrykket på høyre side. Denne ligningen kan (for x 0) skrives på formen yy + y = + x x = x + x og er dermed separabel. Integrasjon på begge sider gir y dy ( ) + y = x + x dx eller med andre ord Dette betyr at ln( + y ) = ln x + x + D ln( + y ) = ln x + x + D + y = e ln x +x +D = x e x e D altså Løsningen er dermed y = Cx e x y = ± Cx e x hvor C > 0. Oppgave 0.7.7 a) La N(t) være antall individer i dyrebestanden etter t år. En logistisk vekstmodell for dyrebestanden er gitt ved differensialligningen dn/dt = 0 4 N(0 4 N) med initialbetingelsen N(0) = 4 0 3. Vi observerer først at differensialligningen har de konstante løsningene N 0 og N 0 4. 85
Forutsetter vi at N 0 og N 0 4 er differensialligningen separabel og kan skrives N N(N 0 4 ) = 0 4 Integrasjon på begge sider gir N(N 0 4 ) dn = 0 4 dt = 0 4 t + C Ved delbrøkoppspaltning blir integralet på venstre side ( N(N 0 4 dn = 0 4 ) N 0 4 ) dn N = 0 4 (ln N 0 4 ln N + C ) = 0 4 ln N 0 4 N + C Dermed blir ligningen vår 0 4 ln N 0 4 N = 0 4 t + C 3 som er ensbetydende med at som også kan skrives Løsningen blir dermed N 0 4 N = ±e t e 04 C 3 = Ce t N 0 4 = Ce t N N( Ce t ) = 0 4 N(t) = 0 4 Ce t hvor C er en vilkårlig konstant. (I utgangspunktet gjelder løsningsformelen for C = ±e t 0, men når C = 0 får vi N 0 4 som vi allerede har observert er en løsning.) Vi bestemmer den ukjente konstanten ved hjelp av initialbetingelsen N(0) = 4 0 3 som gir oss N(0) = 04 C = 4 03 86
C = 3 Dermed blir dyrebestanden etter t år gitt ved N(t) = 0 4 + 3 e t For å finne hvilken størrelse bestanden vil stabilisere seg på i det lange løp, undersøker vi hva som skjer med N(t) når tiden t vokser over alle grenser: 0 4 lim N(t) = lim t t + 3 = 04 e t Bestanden vil altså stabilisere seg på 0 000 dyr. b) Vi skal heretter anta at det drives jakt på dyrebestanden og at det felles. 0 3 dyr per år. Vi endrer derfor modellen til dn/dt = 0 4 N(0 4 N). 0 3 med initialbetingelse N(0) = 4 0 3. Høyresiden av ligningen er et annengradspolynom i N med røtter 3 0 3 og 7 0 3, så ligningen kan skrives dn/dt = 0 4 (N 3 0 3 )(N 7 0 3 ) På samme måte som i punkt a) observerer vi først at differensialligningen har de konstante løsningene N 3 0 3 og N 7 0 3. Forutsetter vi at N 3 0 3 og N 7 0 3, er differensialligningen separabel og kan skrives N (N 3 0 3 )(N 7 0 3 ) = 0 4 Integrasjon på begge sider gir (N 3 0 3 )(N 7 0 3 ) dn = 0 4 dt = 0 4 t + D Ved delbrøkoppspaltning blir integralet på venstre side ( ) 4 0 3 N 7 0 3 N 3 0 3 dn = 4 0 3 (ln N 7 03 ln N 3 0 3 + D ) = 4 0 3 ln N 7 0 3 N 3 0 3 + D 87
Ligningen vår blir altså 4 0 3 ln N 7 0 3 N 3 0 3 = 0 4 t + D 3 som er ensbetydende med at som også kan skrives Løsningen blir dermed ln N 7 0 3 N 3 0 3 = 0.4t + D 4 N 7 0 3 N 3 0 3 = ±e 0.4t e D 4 = De 0.4t N 7 0 3 = De 0.4t (N 3 0 3 ) N( De 0.4t ) = (7 3De 0.4t )0 3 N(t) = 7 3De 0.4t 03 De 0.4t hvor D er en vilkårlig konstant. (I utgangspunktet gjelder løsningsformelen for D = ±e D3 0, men når D = 0 får vi N 7 0 3 som vi allerede har observert er en løsning.) Vi bestemmer den ukjente konstanten ved hjelp av initialbetingelsen N(0) = 4 0 3 som gir oss N(0) = 7 3D D 03 = 4 0 3 D = 3 Dermed blir dyrebestanden etter t år gitt ved N(t) = 7 + 9e 0.4t 03 + 3e 0.4t For å finne hvilken størrelse bestanden nå vil stabilisere seg på i det lange løp, undersøker vi hva som skjer med N(t) når tiden t vokser over alle grenser: 7 + 9e 0.4t lim N(t) = lim t t + 3e 0.4t 03 = 7 0 3 88
Bestanden vil altså stabilisere seg på 7 000 dyr. c) Hvis vi istedet starter med 000 dyr ved tiden t = 0, blir initialbetingelsen istedet N(0) = 0 3 som gir oss Løsningen blir i dette tilfellet N(0) = 7 3D D 03 = 0 3 D = 5 N(t) = 7 5e 0.4t 03 5e 0.4t og vi ser at dyrebestanden dør ut så snart telleren i uttrykket for N(t) blir null, når 7 = 5e 0.4t altså når når 0.4t = ln 5 7 t = 5 ln 5 7.9 Dyrebestanden vil altså være utryddet etter ca..9 år. Kommentar: Det kan være verdt å legge merke til at den gitte differensialligningen forteller en hel del om den kvalitative oppførselen til løsningen, uten at vi bestemmer denne eksplisitt. Ligningen forteller oss at den deriverte dn/dt = 0 4 ( N + 0 4 N. 0 7 ) betraktet som en funksjon av N, er en parabel med et maksimumspunkt fordi dn/dt er på formen an +bn +c med a < 0. Derfor er den deriverte negativ når N tilhører et av intervallene [0, 3 0 3 ) eller (7 0 3, ) og den er positiv når N tilhører (3 0 3, 7 0 3 ). Hvis vi starter med N = 4 0 3 individer (som i punkt b), er altså den deriverte positiv, og antall dyr vil øke så lenge N < 7 0 3. Samtidig vil den deriverte avta mot null. Hvis vi starter med N = 0 3 individer (punkt c), er den deriverte negativ og antall dyr vil avta. Startverdiene N = 7 0 3 og N = 3 0 3 representerer henholdsvis en stabil og en ustabil likevektstilstand. 89
Oppgave 0.7.4 a) For x > 0 har vi gitt at funksjonen y = f(x) tilfredsstiller ligningen som også kan skrives [f(x)] = x x[f(x)] = x x f(t) dt f(t) dt Ved å derivere begge sider av ligningen (vi bruker analysens fundamentalteorem til å derivere høyre side), får vi [f(x)] + xf(x)f (x) = f(x) som er ekvivalent med y + xyy = y yy = y y x b) Vi skal finne alle løsninger av den opprinnelige ligningen og løser først differensialligningen som vi fant i punkt a). Denne har åpenbart de konstante løsningene y 0 og y. Forutsetter vi y 0 og y, blir ligningen separabel og kan skrives y y = x Integrasjon på begge sider gir y dy = x dx ln y = ln x + D Bytter vi fortegn og bruker eksponentialfunksjonen på begge sider, gir dette e ln y = e ln x e D som betyr at y = ± e D x = C x 90
Differensialligningen har dermed løsningen y = C x i tillegg til de to konstante løsningene ovenfor. Ifølge punkt a) må alle løsninger y = f(x) av den opprinnelige funksjonsligningen også være løsninger av differensialligningen og altså ha formen f(x) = C x. Setter vi en slik funksjon inn i den opprinnelige ligningen, blir venstre side og høyre side [f(x)] = C x + C x x f(t) dt = x x = x x ( C t ) dt [ t C t ] x = C x + C x Disse uttrykkene er identiske hvis og bare hvis C = C, det vil si C =. Funksjonsligningen har derfor bare løsningen f(x) = + ( x x = ) x i tillegg til de konstante løsningene f(x) = 0 og f(x) =. 9