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Understanding Differential Equations of Separable Variables from Scratch

Differential equations are a vitally important tool for modelling ‘change’ which appears in a wide range of fields, including natural sciences, engineering, economics, and life sciences.

Amongst these, differential equations of separable variables represent one of the simplest classes where a straightforward solution method can be applied.

Here, we will look in detail at what a differential equation of separable variables is, the specific scenarios in which it is used, and the benefits of studying this field.

1. What are Differential Equations of Separable Variables?


A differential equation of separable variables is one where, within a given differential equation, the variables *x* and *y* (or other variables) can be separated into one side of the equation. 

If the condition that “the variables can be successfully separated” is met, the problem can be solved relatively simply and directly, making it popular with beginners.

2. In What Scenarios are They Used?


Differential equations of separable variables are applied to a variety of real-world problems. Specifically, they prove effective in the following scenarios:

- Radioactive Decay and Chemical Reactions

The decay of radioactive substances and the rate of reaction in certain chemical reactions are often described exponentially (i.e., expressible by a differential equation of separable variables). For example, if the amount of a substance *N* changes over time *t*, it can be represented as  \frac{dN}{dt} = -kN (where *k* is a constant).

- Fluid Dynamics and Heat Conduction

In simple models of flow and temperature distribution, differential equations using the method of separation of variables appear, and by applying initial and boundary conditions, the equation can be adapted to solve practical problems.

- Population Dynamics Modelling

Phenomena such as population growth and the spread of infectious diseases exhibit inversely proportional or exponential changes, and are therefore sometimes analysed using differential equations of separable variables.

- Asset Fluctuation

Growth processes in the financial sector, such as compound interest, can be approximated and analysed using differential equations of separable variables, contributing to future predictions.

- Learning Fundamental Differential Equations

The method of separation of variables is one of the most basic and intuitive solution techniques for differential equations, and is therefore covered in many mathematics curricula. This allows students to develop fundamental analytical skills and the application of integration.

3. What are the Benefits of Learning?


There are many benefits to learning differential equations of separable variables in solidifying your mathematical foundation.

- Building a Foundation for Mathematical Thinking

Differential equations of separable variables provide an excellent opportunity to familiarise yourself with mathematical analytical techniques through the fundamental operation of integration. This will facilitate a smoother understanding of more complex differential equations and systems of differential equations.

- Improving Practical Problem-Solving Skills

Experiencing the process of translating actual phenomena into mathematical models and solving them using standard methods will enhance your problem-solving abilities and logical thinking skills. This is a skill directly related to practical work in many fields such as physics, engineering, and economics.

- Bridging the Gap to Advanced Techniques

The method of separation of variables provides the foundation for learning other solution techniques (e.g., linear differential equations, Laplace transforms, numerical solutions). A thorough understanding of the basics will make it easier to understand more advanced analytical techniques that you will encounter later.

- Wide Range of Applications

Given that a variety of natural and social phenomena are described by differential equations today, mastering the basic solution techniques will nurture the ability to respond flexibly to a variety of scenarios.

Summary


A differential equation of separable variables is an important mathematical technique that can be written as \frac{dy}{dx} = f(x)g(y), allowing variables to be separated and analysed/solved through simple integration.

By learning differential equations of separable variables, you can gain a deeper understanding of mathematical phenomena and develop an approach to tackling complex problems in the real world. First, grasp the basics thoroughly, and by actually tackling problems, your analytical abilities will steadily improve.

If you want to learn about ‘differential equations’ of separable variables, we recommend this book (access here).

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