Ecuaciones diferenciales exactas
Definición: Sean P(x, y) y Q(x, y) funciones reales continuas en un dominio D. Se dice que la ecuación
P(x, y)dx+Q(x, y)dy=0
Es diferencial exacta si existe una función real F(x, y) tal que en el dominio D cumple:
∂F∂x=P(x,y)∂F∂y=Q(x,y)
La función F(x, y) es una primitiva de la ecuación y la integral general es:
F(x, y)=cte
Teorema.- La condición necesaria y suficiente para que la ecuación P·dx+Q·dy=0 sea diferencial exacta en un dominio D, siendo P(x, y), Q(x, y) y sus derivadas parciales continuas en D es que se cumpla:
∂P∂y=∂Q∂x
Ejemplos:
ex(y3+xy3+1)dx+3y2(xex−6)dy=0
∂P∂y=ex(3y2+3y2x)=ex3y2(1+x)∂Q∂x=3y2(ex+xex)=ex3y2(1+x)
D=R2
Resolución.- Por lo anterior se sabe que:
∂F∂x=P(x,y)=ex(y3+xy3+1)⇒F(x,y)=∫ex(y3+xy3+1)dx==ex(y3+xy3+1)−∫exy3dx=ex(y3+xy3+1)−exy3=ex(xy3+1)+α(y)∂F∂y=3xy2ex+α'(y)
deberá coincidir con
Q(x,y)=3y2(xex−6)dy⇒⇒α'(y)=−18y2⇒α(y)=−6y3+cte
Por tanto,
F(x,y)=ex(xy3+1)−6y3+cte
La integral general
ex(xy3+1)−6y3=K
(2xy+y2)dx+(x2+2xy−y)dy=0
∂P∂y=2x+2y∂Q∂x=2x+2y
Diferencial exacta
F(x,y)=∫(2xy+y2)dx=x2y+y2x+α(y)∂F∂y=x2+2xy+α'(y)=Q(x,y)=x2+2xy−y⇒α'(y)=−y⇒α(y)=−y22+cte
Integral general
x2y+y2x−y22=K
(x+ycosx)dx+senxdy=0
Py=cosx, Qx=cosx. Diferencial exacta
F(x,y)=∫senxdy=ysenx+α(x)∂F∂x=ycosx+α'(x)=P(x,y)=x+ycosx⇒α'(x)=x⇒α(x)=x22+cte
Integral general
ysenx+x22=K
(2xey+ex)dx+(x2+1)eydy=0
Py=2xey, Qx==2xey. Diferencial exacta
F(x,y)=∫(2xey+ex)dx=x2ey+ex+α(y)∂F∂y=x2ey+α'(y)=Q(x,y)=(x2+1)ey⇒α'(y)=ey⇒α(y)=ey+cte
Integral general
x2ey+ex+ey=(x2+1)ey+ex=K
(ex+lny+yx)dx+(xy+lnx+seny)dy=0
Py=1y+1x,Qx=1y+1x
Diferencial exacta
F(x,y)=∫(ex+lny+yx)dx=ex+xlny+ylnx+α(y)∂F∂y=xy+lnx+α'(y)=Q(x,y)=xy+lnx+seny⇒α'(y)=seny⇒α(y)=−cosy+cte
Integral general
ex+xlny+ylnx−cosy=K
(x√x2+y2+1x+1y)dx+(y√x2+y2+1y−xy2)dy=0
Py=x(−12)(x2+y2)−322y−1y2=−xy(x2+y2)−32−1y2Qx=y(−12)(x2+y2)−322x−1y2=−yx(x2+y2)−32−1y2
Diferencial exacta
Factores integrantes
Definición.- Dada la ecuación P(x, y)dx+Q(x, y)dy=0, se dice que es un factor integrante en un dominio D, siendo P(x, y), Q(x, y) y sus derivadas parciales continuas en D, si multiplicado por la ecuación la convierte en diferencial exacta. Es decir si la ecuación
μ(x, y)P(x, y)dx+μ(x, y)Q(x, y)dy=0
es exacta. Por lo tanto deberá de cumplir:
∂(μP)∂y=∂(μQ)∂x⇒μyP+μPy=μxQ+μQx, (*)
El factor integrante es solo función de x
μ=μ(x)⇒{μy=0μx=dμdx=μ'
Sustituyendo en (*)
μ(Py−Qx)=μ'Q⇒μ'μ=Py−QxQ
Para poder integrar y obtener así el factor integrante:
Py−QxQ
debe ser solo función de x
Ejemplo: (1-x2y)dx+x2(y-x)dy=0
Py=−x2,Qx=2xy−3x2
No es exacta
Py−QxQ=2x2−2xyx2(y−x)=2x(x−y)x2(y−x)=−2x
Admite factor integrante. Integrando
lnμ=−2lnx⇒μ=1x2
La ecuación
1x2(1−x2y)dx+1x2x2(y−x)dy=0=(1x2−y)dx+(y−x)dy
Exacta. Solución
−1x−yx+y22=K
El factor integrante es solo función de y
μ=μ(y)⇒{μx=0μy=dμdy=μ'
Sustituyendo en (*)
μ(Qx−Py)=μ'P⇒μ'μ=Qx−PyP
Para poder integrar y obtener así el factor integrante Qx−PyP, debe ser solo función de y
Ejemplo. x2y2dx+(x3y+y+3)dy=0
Py=2yx2, Qx=3yx2. No es exacta
Qx−PyP=3x2y−2yx2x2y2=1y
Integrando
lnμ=lny⇒μ=y
El factor integrante es solo función de x+y
μ=μ(x+y), se hace x+y=t
⎧⎪⎨⎪⎩μx=dμdt∂t∂x=dμdt⋅1=μ'μy=dμdt∂t∂y=dμdt⋅1=μ'
Sustituyendo en (*)
μ'P+μPy=μ'Q+μQx⇒μ'(P−Q)=μ(Qx−Py)μ'μ=(Qx−Py)P−Q⇒(Qx−Py)P−Q
debe ser solo función de x+y
El factor integrante es solo función de x-y
μ=μ(x-y), se hace x-y=t
⎧⎪⎨⎪⎩μx=dμdt∂t∂x=dμdt⋅1=μ'μy=dμdt∂t∂y=dμdt⋅(−1)=−μ'
Sustituyendo en (*)
−μ'P+μPy=μ'Q+μQx⇒μ(Py−Qx)=μ'(P+Q)μ'μ=(Py−Qx)P+Q⇒(Py−Qx)P+Q
debe ser solo función de x-y
El factor integrante es solo función de x·y
μ=μ(x·y), se hace x·y=t
⎧⎪⎨⎪⎩μx=dμdt∂t∂x=dμdt⋅y=μ'⋅yμy=dμdt∂t∂y=dμdt⋅x=μ'⋅x
Sustituyendo en (*)
P+μPy=μ'yQ+μQx⇒μ'(xP−yQ)=μ(Qx−Py)μ'μ=(Qx−Py)xP−yQ⇒(Qx−Py)xP−yQ
debe ser solo función de x·y
Ejemplo: (y+xy2)dx+(x-yx2)dy=0
Py=1+2xy,Qx=1−2xy⇒(Qx−Py)xP−yQ=−4xy(xy+x2y2)−(xy−x2y2)=−2xy⇒lnμ=∫−2tdt=−2lnt⇒μ=1(xy)2
El factor integrante es solo función de x2+y2
μ=μ(x2+y2), se hace x2+y2=t
⎧⎪⎨⎪⎩μx=dμdt∂t∂x=dμdt⋅2x=2μ'⋅xμy=dμdt∂t∂y=dμdt⋅2y=2μ'⋅y
Sustituyendo en (*)
2μ'yP+μPy=2μ'xQ+μQx⇒2μ'(yP−xQ)=μ(Qx−Py)μ'μ=(Qx−Py)2(yP−xQ)⇒(Qx−Py)2(yP−xQ)
debe ser solo función de x2+y2
Ejemplo. (x3+xy2-y)dx+(y3+yx2+x)dy=0
P=x3+xy2−y⇒Py=2xy−1Q=y3+x2y+x⇒Qx=2xy+1μ'μ=(Qx−Py)(2yP−2xQ)=22(yP−xQ)=1(x3y+xy3−y2)−(xy3−x3y+x2)=1−(x2+y2)=−1t⇒dμμ=−1tdt⇒lnμ=−lnt⇒μ=1t=1x2+y2
Integrar las ecuaciones:
(x3+xy2)dx+(x2y+y3)dy=0
(2x3+4y)dx+(4x+y+2)dy=0
(x2+y2+x)dx+2xydy=0
(sen2xy+x)dx+(y−sen2xy2)dy=0
(seny+ysenx+1x)dx+(xcosy−cosx+1y)dy=0
(3x2tgy−2y3x3)dx+(x3sec2y+4y3+3y2x2)dy=0
(3x2−2x−y)dx+(2y−x+3y2)dy=0
(xy√1+x2+2xy−yx)dx+(√1+x2+x2−lnx)dy=0
(x+y2)dx−2xydy=0
2xydx+(y+y2−x2)dy=0
yxdx+(y3−lnx)dy=0
(2xy2−3y3)dx+(7−3xy2)dy=0
(3+y3senx)dx+3y2cosxdy=0
(x3y2−e1x)dx+x4ydy=0
(xy2+x2y2+3)dx+(x2y)dy=0
(x+senx+seny)dx+cosydy=0
(xcosy−yseny)dy+(xseny+ycosy)dx=0
(2xy4ey+2xy3+y)dx+(x2y4ey−x2y2−3x)dy=0
y2x2dx+(x3y+y+3)dy=0
(3+y3senx)dx+3y2cosxdy=0
y'=−(1+xtgx)y22(xy+cosx)
xdx+ydy+x(xdy−ydx)=0,μ=μ(x2+y2)
(3y2−x)dx+(2y3−6xy)dy=0,μ=μ(x+y2)
(xy−2y2)dx−(x2−3xy)dy=0,μ=μ(x⋅y2)
ydx+x(x2y−1)dy=0,μ=μ(yx3)
y(x2+y2+1)dx+x(1−x2−y2)dy=0,μ=μ(x⋅y)
(2y−3xy2)dx−xdy=0,μ=μ(xy2)
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