Ecuación diferencial dy/dx+xy/(1+x^2)=sqrt(1+x^2)

Tenemos la ecuación:
$$\frac{x y{\left(x \right)}}{x^{2} + 1} + \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} = \sqrt{x^{2} + 1}$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:

y' + P(x)y = Q(x)

donde
$$P{\left(x \right)} = \frac{x}{x^{2} + 1}$$
y
$$Q{\left(x \right)} = \sqrt{x^{2} + 1}$$
y se llama lineal homogénea
ecuación diferencial de 1 orden:
Primero resolvamos la ecuación lineal homogénea correspondiente

y' + P(x)y = 0

con variables separables
Esta ecuación se resuelve con los pasos siguientes:

De y' + P(x)y = 0 obtenemos

$$\frac{dy}{y} = - P{\left(x \right)} dx$$, con y no igual a 0
$$\int \frac{1}{y}\, dy = - \int P{\left(x \right)}\, dx$$
$$\log{\left(\left|{y}\right| \right)} = - \int P{\left(x \right)}\, dx$$
O,
$$\left|{y}\right| = e^{- \int P{\left(x \right)}\, dx}$$
Por eso,
$$y_{1} = e^{- \int P{\left(x \right)}\, dx}$$
$$y_{2} = - e^{- \int P{\left(x \right)}\, dx}$$
De la expresión se ve que hay que encontrar la integral:
$$\int P{\left(x \right)}\, dx$$
Como
$$P{\left(x \right)} = \frac{x}{x^{2} + 1}$$, entonces
$$\int P{\left(x \right)}\, dx$$ =
= $$\int \frac{x}{x^{2} + 1}\, dx = \frac{\log{\left(x^{2} + 1 \right)}}{2} + Const$$
Solución detallada de la integral
Es decir, la solución de la ecuación lineal homogénea es:
$$y_{1} = \frac{e^{C_{1}}}{\sqrt{x^{2} + 1}}$$
$$y_{2} = - \frac{e^{C_{2}}}{\sqrt{x^{2} + 1}}$$
lo que corresponde a la solución
con cualquier constante C no igual a cero:
$$y = \frac{C}{\sqrt{x^{2} + 1}}$$
Hemos encontrado la solución de la ecuación homogénea correspondiente
Ahora hay que resolver nuestra ecuación heterogénea

y' + P(x)y = Q(x)

Usamos el método de variación de la constante arbitraria
Ahora consideremos que C es la función de x

$$y = \frac{C{\left(x \right)}}{\sqrt{x^{2} + 1}}$$
Y lo sustituimos en la ecuación inicial.
Usando las reglas
- de diferenciación del producto;
- de la derivada de una función compuesta,
hallamos que
$$\frac{d}{d x} C{\left(x \right)} = Q{\left(x \right)} e^{\int P{\left(x \right)}\, dx}$$
Sustituimos Q(x) y P(x) en esta ecuación.
Recibimos la ecuación diferencial más simple para C(x):
$$\frac{d}{d x} C{\left(x \right)} = x^{2} + 1$$
Es decir, C(x) =
$$\int \left(x^{2} + 1\right)\, dx = \left(\frac{x^{3}}{3} + x\right) + Const$$
Solución detallada de la integral
sustituimos C(x) en
$$y = \frac{C{\left(x \right)}}{\sqrt{x^{2} + 1}}$$
y recibimos la respuesta definitiva para y(x):
$$\frac{\frac{x^{3}}{3} + x + Const}{\sqrt{x^{2} + 1}}$$