Ecuaciones Diferenciales Exactas

 

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:

Fx=P(x,y)Fy=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:

Py=Qx

Ejemplos:

  1. ex(y3+xy3+1)dx+3y2(xex-6)dy=0

  2. Py=ex(3y2+3y2x)=ex3y2(1+x)Qx=3y2(ex+xex)=ex3y2(1+x)

    D=R2

    Resolución.- Por lo anterior se sabe que:

    Fx=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)Fy=3xy2ex+α'(y)

    deberá coincidir con

    Q(x,y)=3y2(xex-6)dyα'(y)=-18y2α(y)=-6y3+cte

    Por tanto,

    F(x,y)=ex(xy3+1)-6y3+cte

    La integral general

    ex(xy3+1)-6y3=K

  3. (2xy+y2)dx+(x2+2xy-y)dy=0

  4. Py=2x+2yQx=2x+2y

    Diferencial exacta

    F(x,y)=(2xy+y2)dx=x2y+y2x+α(y)Fy=x2+2xy+α'(y)=Q(x,y)=x2+2xy-yα'(y)=-yα(y)=-y22+cte

    Integral general

    x2y+y2x-y22=K

  5. (x+ycosx)dx+senxdy=0

  6. Py=cosxQx=cosx. Diferencial exacta

    F(x,y)=senxdy=ysenx+α(x)Fx=ycosx+α'(x)=P(x,y)=x+ycosxα'(x)=xα(x)=x22+cte

    Integral general

    ysenx+x22=K

  7. (2xey+ex)dx+(x2+1)eydy=0

  8. Py=2xeyQx==2xey. Diferencial exacta

    F(x,y)=(2xey+ex)dx=x2ey+ex+α(y)Fy=x2ey+α'(y)=Q(x,y)=(x2+1)eyα'(y)=eyα(y)=ey+cte

    Integral general

    x2ey+ex+ey=(x2+1)ey+ex=K

  9. (ex+lny+yx)dx+(xy+lnx+seny)dy=0

  10. Py=1y+1x,Qx=1y+1x

    Diferencial exacta

    F(x,y)=(ex+lny+yx)dx=ex+xlny+ylnx+α(y)Fy=xy+lnx+α'(y)=Q(x,y)=xy+lnx+senyα'(y)=senyα(y)=-cosy+cte

    Integral general

    ex+xlny+ylnx-cosy=K

  11. (xx2+y2+1x+1y)dx+(yx2+y2+1y-xy2)dy=0

  12. 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)xμyP+μPy=μxQ+μQx, (*)

  1. El factor integrante es solo función de x

  2. μ=μ(x){μy=0μx=dμdx=μ'

    Sustituyendo en (*)

    μ(Py-Qx)=μ'Qμ'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=-2lnxμ=1x2

    La ecuación

    1x2(1-x2y)dx+1x2x2(y-x)dy=0=(1x2-y)dx+(y-x)dy

    Exacta. Solución

    -1x-yx+y22=K

  3. El factor integrante es solo función de y

  4. μ=μ(y){μx=0μy=dμdy=μ'

    Sustituyendo en (*)

    μ(Qx-Py)=μ'Pμ'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=2yx2Qx=3yx2. No es exacta

    Qx-PyP=3x2y-2yx2x2y2=1y

    Integrando

    lnμ=lnyμ=y

  5. El factor integrante es solo función de x+y

  6. μ=μ(x+y), se hace x+y=t

    {μx=dμdttx=dμdt·1=μ'μy=dμdtty=dμdt·1=μ'

    Sustituyendo en (*)

    μ'P+μPy=μ'Q+μQxμ'(P-Q)=μ(Qx-Py)μ'μ=(Qx-Py)P-Q(Qx-Py)P-Q

    debe ser solo función de x+y

  7. El factor integrante es solo función de x-y

  8. μ=μ(x-y), se hace x-y=t

    {μx=dμdttx=dμdt·1=μ'μy=dμdtty=dμdt·(-1)=-μ'

    Sustituyendo en (*)

    -μ'P+μPy=μ'Q+μQxμ(Py-Qx)=μ'(P+Q)μ'μ=(Py-Qx)P+Q(Py-Qx)P+Q

    debe ser solo función de x-y

  9. El factor integrante es solo función de x·y

  10. μ=μ(x·y), se hace x·y=t

    {μx=dμdttx=dμdt·y=μ'·yμy=dμdtty=dμdt·x=μ'·x

    Sustituyendo en (*)

    P+μPy=μ'yQ+μQxμ'(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)=-2xylnμ=-2tdt=-2lntμ=1(xy)2

  11. El factor integrante es solo función de x2+y2

  12. μ=μ(x2+y2), se hace x2+y2=t

    {μx=dμdttx=dμdt·2x=2μ'·xμy=dμdtty=dμdt·2y=2μ'·y

    Sustituyendo en (*)

    2μ'yP+μPy=2μ'xQ+μQx2μ'(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-yPy=2xy-1Q=y3+x2y+xQx=2xy+1μ'μ=(Qx-Py)(2yP-2xQ)=22(yP-xQ)=1(x3y+xy3-y2)-(xy3-x3y+x2)=1-(x2+y2)=-1tdμμ=-1tdtlnμ=-lntμ=1t=1x2+y2

Integrar las ecuaciones:

  1. (x3+xy2)dx+(x2y+y3)dy=0

  2. (2x3+4y)dx+(4x+y+2)dy=0

  3. (x2+y2+x)dx+2xydy=0

  4. (sen2xy+x)dx+(y-sen2xy2)dy=0

  5. (seny+ysenx+1x)dx+(xcosy-cosx+1y)dy=0

  6. (3x2tgy-2y3x3)dx+(x3sec2y+4y3+3y2x2)dy=0

  7. (3x2-2x-y)dx+(2y-x+3y2)dy=0

  8. (xy1+x2+2xy-yx)dx+(1+x2+x2-lnx)dy=0

  9. (x+y2)dx-2xydy=0

  10. 2xydx+(y+y2-x2)dy=0

  11. yxdx+(y3-lnx)dy=0

  12. (2xy2-3y3)dx+(7-3xy2)dy=0

  13. (3+y3senx)dx+3y2cosxdy=0

  14. (x3y2-e1x)dx+x4ydy=0

  15. (xy2+x2y2+3)dx+(x2y)dy=0

  16. (x+senx+seny)dx+cosydy=0

  17. (xcosy-yseny)dy+(xseny+ycosy)dx=0

  18. (2xy4ey+2xy3+y)dx+(x2y4ey-x2y2-3x)dy=0

  19. y2x2dx+(x3y+y+3)dy=0

  20. (3+y3senx)dx+3y2cosxdy=0

  21. y'=-(1+xtgx)y22(xy+cosx)

  22. xdx+ydy+x(xdy-ydx)=0,μ=μ(x2+y2)

  23. (3y2-x)dx+(2y3-6xy)dy=0,μ=μ(x+y2)

  24. (xy-2y2)dx-(x2-3xy)dy=0,μ=μ(x·y2)

  25. ydx+x(x2y-1)dy=0,μ=μ(yx3)

  26. y(x2+y2+1)dx+x(1-x2-y2)dy=0,μ=μ(x·y)

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