Solution.
All equations will be done by the method of variation of a constant.
1.1
d x d y − 4 x y = y 5 \frac{dx}{dy}-\frac{4x}{y}=y^5 d y d x − y 4 x = y 5 1) d x d y − 4 x y = 0 \frac{dx}{dy}-\frac{4x}{y}=0 d y d x − y 4 x = 0
d x x = 4 d y y \frac{dx}{x}=\frac{4dy}{y} x d x = y 4 d y
∫ d x x = ∫ 4 d y y \int\frac{dx}{x}=\int\frac{4dy}{y} ∫ x d x = ∫ y 4 d y
x = C y 4 , x=Cy^4, x = C y 4 ,
where C is some constant.
2) Let be x = C ( y ) y 4 , x=C(y)y^4, x = C ( y ) y 4 ,
thenx ′ = C ′ ( y ) y 4 + 4 C ( y ) y 3 . x'=C'(y)y^4+4C(y)y^3. x ′ = C ′ ( y ) y 4 + 4 C ( y ) y 3 .
We will have
C ′ y 4 + 4 C y 3 − 4 y C y 4 = y 5 . C'y^4+4Cy^3-\frac{4}{y}Cy^4=y^5. C ′ y 4 + 4 C y 3 − y 4 C y 4 = y 5 .
From here C ′ ( y ) = y . C'(y)=y. C ′ ( y ) = y .
So, C ( y ) = y 2 2 . C(y)=\frac{y^2}{2}. C ( y ) = 2 y 2 .
And, x = y 2 2 y 4 = y 6 2 . x=\frac{y^2}{2}y^4=\frac{y^6}{2}. x = 2 y 2 y 4 = 2 y 6 .
3)
x = C y 4 + y 6 2 . x=Cy^4+\frac{y^6}{2}. x = C y 4 + 2 y 6 .
1.2
d y d x + y x = cos x + sin x x \frac{dy}{dx}+\frac{y}{x}=\cos{x}+\frac{\sin{x}}{x} d x d y + x y = cos x + x sin x 1) d y d x + y x = 0 \frac{dy}{dx}+\frac{y}{x}=0 d x d y + x y = 0
d y y = − d x x \frac{dy}{y}=-\frac{dx}{x} y d y = − x d x
∫ d y y = − ∫ d x x \int\frac{dy}{y}=-\int\frac{dx}{x} ∫ y d y = − ∫ x d x
y x = C yx=C y x = C
y = C x , y=\frac{C}{x}, y = x C ,
where C is some constant.
2) Let be y = C ( x ) x , y=\frac{C(x)}{x}, y = x C ( x ) ,
then y ′ = C ′ ( x ) x − C ( x ) x 2 . y'=\frac{C'(x)x-C(x)}{x^2}. y ′ = x 2 C ′ ( x ) x − C ( x ) .
We will have
C ′ x − C x 2 + C x 2 = cos x + sin x x \frac{C'x-C}{x^2}+\frac{C}{x^2}=\cos{x}+\frac{\sin{x}}{x} x 2 C ′ x − C + x 2 C = cos x + x s i n x
From here C ′ ( x ) = x cos x + sin x . C'(x)=x\cos{x}+\sin{x}. C ′ ( x ) = x cos x + sin x .
So, C ( x ) = x sin x . C(x)=x\sin{x}. C ( x ) = x sin x .
And, y = x sin x x = sin x . y=\frac{x\sin{x}}{x}=\sin{x}. y = x x s i n x = sin x .
3)
y = C x + sin x . y=\frac{C}{x}+\sin{x}. y = x C + sin x .
1.3
d x d y + x ( 2 − y ) y = 1 y \frac{dx}{dy}+\frac{x(2-y)}{y}=\frac{1}{y} d y d x + y x ( 2 − y ) = y 1 1) d x d y + x ( 2 − y ) y = 0 \frac{dx}{dy}+\frac{x(2-y)}{y}=0 d y d x + y x ( 2 − y ) = 0
d x x = − 2 − y y d y \frac{dx}{x}=-\frac{2-y}{y}dy x d x = − y 2 − y d y
∫ d x x = − ∫ 2 − y y d y \int\frac{dx}{x}=-\int\frac{2-y}{y}dy ∫ x d x = − ∫ y 2 − y d y
x = C e y y 2 , x=\frac{Ce^y}{y^2}, x = y 2 C e y ,
where C is some constant.
2) Let be x = C ( y ) e y y 2 , x=\frac{C(y)e^y}{y^2}, x = y 2 C ( y ) e y ,
thenx ′ = ( C ′ ( y ) e y + C ( y ) e y ) y 2 − C ( y ) e y 2 y y 4 . x'=\frac{(C'(y)e^y+C(y)e^y)y^2-C(y)e^y2y}{y^4}. x ′ = y 4 ( C ′ ( y ) e y + C ( y ) e y ) y 2 − C ( y ) e y 2 y .
We will have
( C ′ ( y ) e y + C ( y ) e y ) y 2 − C ( y ) e y 2 y y 4 + C ( y ) e y y 2 2 − y y = 1 y . \frac{(C'(y)e^y+C(y)e^y)y^2-C(y)e^y2y}{y^4}+\frac{C(y)e^y}{y^2}\frac{2-y}{y}=\frac{1}{y}. y 4 ( C ′ ( y ) e y + C ( y ) e y ) y 2 − C ( y ) e y 2 y + y 2 C ( y ) e y y 2 − y = y 1 .
From here C ′ ( y ) = y e y . C'(y)=\frac{y}{e^y}. C ′ ( y ) = e y y .
So, C ( y ) = − y + 1 e y . C(y)=-\frac{y+1}{e^y}. C ( y ) = − e y y + 1 .
And, x = − y + 1 y 2 . x=-\frac{y+1}{y^2}. x = − y 2 y + 1 .
3)
x = C e y y 2 − y + 1 y 2 . x=C\frac{e^y}{y^2}-\frac{y+1}{y^2}. x = C y 2 e y − y 2 y + 1 . 2.1. d y d x − 3 y 2 x = y 3 2 x 3 2.1. \frac{dy}{dx}-\frac{3y}{2x}=\frac{y^3}{2x^3} 2.1. d x d y − 2 x 3 y = 2 x 3 y 3 Divide both parts of equation by y 3 . y^3. y 3 .
y ′ y 3 − 3 2 x y 2 = 1 2 x 3 \frac{y'}{y^3}-\frac{3}{2xy^2}=\frac{1}{2x^3} y 3 y ′ − 2 x y 2 3 = 2 x 3 1 Substitution z = 1 y 2 . z=\frac{1}{y^2}. z = y 2 1 .
Then z ′ + 3 z x = − 1 x 3 . z'+\frac{3z}{x}=-\frac{1}{x^3}. z ′ + x 3 z = − x 3 1 .
1) d z d x + 3 z x = 0 \frac{dz}{dx}+\frac{3z}{x}=0 d x d z + x 3 z = 0
d z d x = − 3 z x \frac{dz}{dx}=-\frac{3z}{x} d x d z = − x 3 z
∫ d z d x = − ∫ 3 z x \int\frac{dz}{dx}=-\int\frac{3z}{x} ∫ d x d z = − ∫ x 3 z
z = C x 3 , z=\frac{C}{x^3}, z = x 3 C ,
where C is some constant.
2) Let be z = C ( x ) x 3 , z=\frac{C(x)}{x^3}, z = x 3 C ( x ) ,
then z ′ = C ′ ( x ) x 3 − 3 x 2 C ( x ) x 6 . z'=\frac{C'(x)x^3-3x^2C(x)}{x^6}. z ′ = x 6 C ′ ( x ) x 3 − 3 x 2 C ( x ) .
We will have
C ′ x 3 − 3 C x 4 + 3 C x 4 = − 1 x 3 \frac{C'}{x^3}-\frac{3C}{x^4}+\frac{3C}{x^4}=-\frac{1}{x^3} x 3 C ′ − x 4 3 C + x 4 3 C = − x 3 1
From here C ′ ( x ) = − 1. C'(x)=-1. C ′ ( x ) = − 1.
So, C ( x ) = − x . C(x)=-x. C ( x ) = − x .
And, z = − 1 x 2 . z=-\frac{1}{x^2}. z = − x 2 1 .
3)
z = C x 3 − 1 x 2 . z=\frac{C}{x^3}-\frac{1}{x^2}. z = x 3 C − x 2 1 .
From here
y = ± x 3 C − x . y=\pm \sqrt{\frac{x^3}{C-x}}. y = ± C − x x 3 .
2.2
d y d x − y 2 x = − x 2 y \frac{dy}{dx}-\frac{y}{2x}=-\frac{x^2}{y} d x d y − 2 x y = − y x 2 Divide both parts of equation by y − 1 y^{-1} y − 1 .
y ′ y − 1 − y 2 2 x = − x 2 \frac{y'}{y^{-1}}-\frac{y^2}{2x}=-x^2 y − 1 y ′ − 2 x y 2 = − x 2 Substitution z = y 2 . z={y^2}. z = y 2 .
Then z ′ − z x = − 2 x 2 . z'-\frac{z}{x}=-2{x^2}. z ′ − x z = − 2 x 2 .
1) d z d x − z x = 0 \frac{dz}{dx}-\frac{z}{x}=0 d x d z − x z = 0
d z z = d x x \frac{dz}{z}=\frac{dx}{x} z d z = x d x
∫ d z d x = − ∫ 3 z x \int\frac{dz}{dx}=-\int\frac{3z}{x} ∫ d x d z = − ∫ x 3 z
z = C x , z={C}{x}, z = C x ,
where C is some constant.
2) Let be z = C ( x ) x , z={C(x)}{x}, z = C ( x ) x ,
then z ′ = C ′ ( x ) x + C ( x ) . z'=C'(x)x+C(x). z ′ = C ′ ( x ) x + C ( x ) .
We will have
C ′ x + C − C x x = − 2 x 2 . {C'}{x}+C-\frac{Cx}{x}=-2x^2. C ′ x + C − x C x = − 2 x 2 .
From here C ′ ( x ) = − 2 x . C'(x)=-2x. C ′ ( x ) = − 2 x .
So, C ( x ) = − x 2 . C(x)=-x^2. C ( x ) = − x 2 .
And, z = − x 3 . z=-{x^3}. z = − x 3 .
3)
z = C x − x 3 . z={C}{x}-{x^3}. z = C x − x 3 .
From here
y = ± C x − x 3 . y=\pm \sqrt{{Cx}-{x^3}}. y = ± C x − x 3 .
2.3
d y d x + y = 2 x y 2 e x \frac{dy}{dx}+y=2xy^2e^x d x d y + y = 2 x y 2 e x
Divide both parts of equation by y 2 . y^2. y 2 .
y ′ y 2 + 1 y = 2 x e x \frac{y'}{y^2}+\frac{1}{y}={2xe^x} y 2 y ′ + y 1 = 2 x e x Substitution z = 1 y . z=\frac{1}{y}. z = y 1 .
Then z ′ − z = − 2 x e x . z'-{z}=-2xe^x. z ′ − z = − 2 x e x .
1) d z d x − z = 0 \frac{dz}{dx}-z=0 d x d z − z = 0
d z z = d x \frac{dz}{z}=dx z d z = d x
∫ d z z = ∫ d x \int\frac{dz}{z}=\int{dx} ∫ z d z = ∫ d x
z = C e x , z={C}{e^x}, z = C e x ,
where C is some constant.
2) Let be z = C ( x ) e x , z={C(x)}{e^x}, z = C ( x ) e x ,
then z ′ = C ′ ( x ) e x + C ( x ) e x . z'={C'(x)e^x+C(x)}{e^x}. z ′ = C ′ ( x ) e x + C ( x ) e x .
We will have
C ′ e x + C e x − C e x = − 2 x e x {C'}{e^x}+{C}{e^x}-{C}{e^x}=-2xe^x C ′ e x + C e x − C e x = − 2 x e x
From here C ′ ( x ) = − 2 x . C'(x)=-2x. C ′ ( x ) = − 2 x .
So, C ( x ) = − x 2 . C(x)=-x^2. C ( x ) = − x 2 .
And, z = − x 2 e x . z=-{x^2}e^x. z = − x 2 e x .
3)
C e x − x 2 e x . {C}{e^x}-{x^2}e^x. C e x − x 2 e x .
From here
y = e − x C − x 2 . y= \frac{e^{-x}}{C-x^2}. y = C − x 2 e − x .
Comments