Sr Examen
Ecuación diferencial dx*(x*y+1)/(x^2*y)+dy*(-x*y+1)/(x*y^2)=0
El profesor se sorprenderá mucho al ver tu solución correcta😉
⌨
Solución
Ha introducido
[src]
d d
--(y(x)) --(y(x))
1 1 dx dx
- + ------- - -------- + -------- = 0
x 2 y(x) 2
x *y(x) x*y (x)
$$- \frac{\frac{d}{d x} y{\left(x \right)}}{y{\left(x \right)}} + \frac{1}{x} + \frac{\frac{d}{d x} y{\left(x \right)}}{x y^{2}{\left(x \right)}} + \frac{1}{x^{2} y{\left(x \right)}} = 0$$
-y'/y + 1/x + y'/(x*y^2) + 1/(x^2*y) = 0
Solución detallada
Tenemos la ecuación:
$$- \frac{\frac{d}{d x} y{\left(x \right)}}{y{\left(x \right)}} + \frac{1}{x} + \frac{\frac{d}{d x} y{\left(x \right)}}{x y^{2}{\left(x \right)}} + \frac{1}{x^{2} y{\left(x \right)}} = 0$$
Sustituimos
$$u{\left(x \right)} = x y{\left(x \right)}$$
y porque
$$y{\left(x \right)} = \frac{u{\left(x \right)}}{x}$$
entonces
$$\frac{d}{d x} y{\left(x \right)} = \frac{\frac{d}{d x} u{\left(x \right)}}{x} - \frac{u{\left(x \right)}}{x^{2}}$$
sustituimos
$$- \frac{x \frac{d}{d x} \frac{u{\left(x \right)}}{x}}{u{\left(x \right)}} + \frac{x \frac{d}{d x} \frac{u{\left(x \right)}}{x}}{u^{2}{\left(x \right)}} + \frac{1}{x} + \frac{1}{x u{\left(x \right)}} = 0$$
o
$$- \frac{\frac{d}{d x} u{\left(x \right)}}{u{\left(x \right)}} + \frac{\frac{d}{d x} u{\left(x \right)}}{u^{2}{\left(x \right)}} + \frac{2}{x} = 0$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
donde
$$\operatorname{f_{1}}{\left(x \right)} = 1$$
$$\operatorname{g_{1}}{\left(u \right)} = 1$$
$$\operatorname{f_{2}}{\left(x \right)} = - \frac{1}{x}$$
$$\operatorname{g_{2}}{\left(u \right)} = - \frac{2 u^{2}{\left(x \right)}}{u{\left(x \right)} - 1}$$
Pasemos la ecuación a la forma:
Dividamos ambos miembros de la ecuación en g2(u)
$$- \frac{2 u^{2}{\left(x \right)}}{u{\left(x \right)} - 1}$$
obtendremos
$$- \frac{\left(u{\left(x \right)} - 1\right) \frac{d}{d x} u{\left(x \right)}}{2 u^{2}{\left(x \right)}} = - \frac{1}{x}$$
Con esto hemos separado las variables x y u.
Ahora multipliquemos las dos partes de la ecuación por dx,
entonces la ecuación será así
$$- \frac{dx \left(u{\left(x \right)} - 1\right) \frac{d}{d x} u{\left(x \right)}}{2 u^{2}{\left(x \right)}} = - \frac{dx}{x}$$
o
$$- \frac{du \left(u{\left(x \right)} - 1\right)}{2 u^{2}{\left(x \right)}} = - \frac{dx}{x}$$
Tomemos la integral de las dos partes de la ecuación:
- de la parte izquierda la integral por u,
- de la parte derecha la integral por x.
$$\int \left(- \frac{u - 1}{2 u^{2}}\right)\, du = \int \left(- \frac{1}{x}\right)\, dx$$
Tomemos estas integrales
$$- \frac{\log{\left(u \right)}}{2} - \frac{1}{2 u} = Const - \log{\left(x \right)}$$
Hemos recibido una ecuación ordinaria con la incógnica u.
(Const - es una constante)
La solución:
$$\operatorname{u_{1}} = u{\left(x \right)} = x^{2} e^{C_{1} + W\left(- \frac{e^{- C_{1}}}{x^{2}}\right)}$$
hacemos cambio inverso
$$y{\left(x \right)} = \frac{u{\left(x \right)}}{x}$$
$$y1 = y(x) = x e^{C_{1} + W\left(- \frac{e^{- C_{1}}}{x^{2}}\right)}$$
$$- \frac{\frac{d}{d x} y{\left(x \right)}}{y{\left(x \right)}} + \frac{1}{x} + \frac{\frac{d}{d x} y{\left(x \right)}}{x y^{2}{\left(x \right)}} + \frac{1}{x^{2} y{\left(x \right)}} = 0$$
Sustituimos
$$u{\left(x \right)} = x y{\left(x \right)}$$
y porque
$$y{\left(x \right)} = \frac{u{\left(x \right)}}{x}$$
entonces
$$\frac{d}{d x} y{\left(x \right)} = \frac{\frac{d}{d x} u{\left(x \right)}}{x} - \frac{u{\left(x \right)}}{x^{2}}$$
sustituimos
$$- \frac{x \frac{d}{d x} \frac{u{\left(x \right)}}{x}}{u{\left(x \right)}} + \frac{x \frac{d}{d x} \frac{u{\left(x \right)}}{x}}{u^{2}{\left(x \right)}} + \frac{1}{x} + \frac{1}{x u{\left(x \right)}} = 0$$
o
$$- \frac{\frac{d}{d x} u{\left(x \right)}}{u{\left(x \right)}} + \frac{\frac{d}{d x} u{\left(x \right)}}{u^{2}{\left(x \right)}} + \frac{2}{x} = 0$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
f1(x)*g1(u)*u' = f2(x)*g2(u),
donde
$$\operatorname{f_{1}}{\left(x \right)} = 1$$
$$\operatorname{g_{1}}{\left(u \right)} = 1$$
$$\operatorname{f_{2}}{\left(x \right)} = - \frac{1}{x}$$
$$\operatorname{g_{2}}{\left(u \right)} = - \frac{2 u^{2}{\left(x \right)}}{u{\left(x \right)} - 1}$$
Pasemos la ecuación a la forma:
g1(u)/g2(u)*u'= f2(x)/f1(x).
Dividamos ambos miembros de la ecuación en g2(u)
$$- \frac{2 u^{2}{\left(x \right)}}{u{\left(x \right)} - 1}$$
obtendremos
$$- \frac{\left(u{\left(x \right)} - 1\right) \frac{d}{d x} u{\left(x \right)}}{2 u^{2}{\left(x \right)}} = - \frac{1}{x}$$
Con esto hemos separado las variables x y u.
Ahora multipliquemos las dos partes de la ecuación por dx,
entonces la ecuación será así
$$- \frac{dx \left(u{\left(x \right)} - 1\right) \frac{d}{d x} u{\left(x \right)}}{2 u^{2}{\left(x \right)}} = - \frac{dx}{x}$$
o
$$- \frac{du \left(u{\left(x \right)} - 1\right)}{2 u^{2}{\left(x \right)}} = - \frac{dx}{x}$$
Tomemos la integral de las dos partes de la ecuación:
- de la parte izquierda la integral por u,
- de la parte derecha la integral por x.
$$\int \left(- \frac{u - 1}{2 u^{2}}\right)\, du = \int \left(- \frac{1}{x}\right)\, dx$$
Tomemos estas integrales
$$- \frac{\log{\left(u \right)}}{2} - \frac{1}{2 u} = Const - \log{\left(x \right)}$$
Hemos recibido una ecuación ordinaria con la incógnica u.
(Const - es una constante)
La solución:
$$\operatorname{u_{1}} = u{\left(x \right)} = x^{2} e^{C_{1} + W\left(- \frac{e^{- C_{1}}}{x^{2}}\right)}$$
hacemos cambio inverso
$$y{\left(x \right)} = \frac{u{\left(x \right)}}{x}$$
$$y1 = y(x) = x e^{C_{1} + W\left(- \frac{e^{- C_{1}}}{x^{2}}\right)}$$
Respuesta
[src]
/ -C1 \
|-e |
C1 + W|------|
| 2 |
\ x /
y(x) = x*e
$$y{\left(x \right)} = x e^{C_{1} + W\left(- \frac{e^{- C_{1}}}{x^{2}}\right)}$$
Clasificación
factorable
1st exact
separable reduced
lie group
1st exact Integral
separable reduced Integral