Cómo resolver [math] (5xy ^ 2) dy – (2x ^ 3 + xy ^ 2) dx = 0 [/ math]

¿Cómo resuelvo [math] (5xy ^ 2) dy – (2x ^ 3 + xy ^ 2) = 0 [/ math] ?

Supongo que se supone que hay un factor de [math] dx [/ math] adjunto al segundo término, de modo que este DE es [math] (5xy ^ 2) dy = (2x ^ 3 + xy ^ 2) dx [/ math], o equivalente, [math] 5 \ frac {dy} {dx} = 2 (x / y) ^ 2 + 1 [/ math]. Aquí hay un campo de pendiente para este DE, junto con algunas curvas de solución de muestra:

Vea los campos de pendiente y dirección para las ecuaciones diferenciales.

Este es un DE homogéneo, por lo que podemos usar la sustitución [math] y = ux [/ math] ([math] u = y / x [/ math]), que conduce a [math] \ frac {dy} {dx } = u + x \ frac {du} {dx} = \ frac {1} {5} (2u ^ {- 2} +1) [/ math]. Esto ahora es separable, así que

[matemáticas] \ begin {align *} 5x \ frac {du} {dx} & = 2u ^ {- 2} + 1-5u \\ \ dfrac {5du} {2u ^ {- 2} + 1-5u} & = \ dfrac {dx} {x} \\ \ dfrac {5u ^ 2du} {u ^ 2-5u ^ 3 + 2} & = \ dfrac {dx} {x} \ end {align *} [/ math]

La integral en el lado izquierdo es desordenada (vea Computational Knowledge Engine), por lo que me detendré con la solución analítica en este punto, especialmente porque no sé si he adivinado correctamente sobre la forma del DE.

La solución real es bastante desordenada,

Motor de conocimiento computacional

pero tratemos de entender esto un poco.


[matemáticas] (5xy ^ 2) dy – (2x ^ 3 + xy ^ 2) dx = 0 [/ matemáticas]

[matemáticas] y ‘= \ frac {2x ^ 3 + xy ^ 2} {5xy ^ 2} [/ matemáticas]

[matemáticas] y ‘= \ frac {2} {5} \ frac {x ^ 2} {y ^ 2} + \ frac {1} {5} [/ matemáticas]

Esto significa que la pendiente depende de la relación de [matemática] x [/ matemática] y [matemática] y [/ matemática] y, por lo tanto, del ángulo polar de [matemática] (x, y) [/ matemática].

Dado el campo de dirección (ver abajo), una de las soluciones debe ser una línea recta:

[matemáticas] y = hacha [/ matemáticas]

con se puede encontrar configurando:

[matemáticas] a = \ frac {2} {5a ^ 2} + \ frac {1} {5} [/ matemáticas]

flexible:

[matemáticas] a = \ frac {1 + \ sqrt [3] {26 ^ 2 – 15 \ sqrt {3 (26 ^ 2 + 1)}} + \ sqrt [3] {26 ^ 2 + 15 \ sqrt {3 (26 ^ 2 + 1)}}} {15} \ aprox. 0.8099 [/ matemáticas]

que se traza con la línea naranja a continuación:

También he dibujado dos líneas rectas que son ortogonales a las soluciones, resolviendo:

[matemáticas] – \ frac 1 b = \ frac {2} {5b ^ 2} + \ frac {1} {5} [/ matemáticas]

flexible:

[matemáticas] y = \ left (- \ frac 5 2 \ pm \ frac {\ sqrt {17}} {2} \ right) x [/ math]


Es fácil ver que todas las demás soluciones son no lineales.

Que se llame una solución específica:

[matemáticas] y = f (x) [/ matemáticas]

entonces, dado que el campo de dirección es independiente de la escala, todas las demás soluciones pueden describirse mediante:

[matemáticas] y = cf (\ frac {x} {c}) [/ matemáticas]

Por favor revise la pregunta una vez.