Given
y ′ + ( x 1 − x 2 ) y = x y 1 / 2 y' +\left( \frac{x}{1-x^2}\right)y=xy^{1/2} y ′ + ( 1 − x 2 x ) y = x y 1/2
This is a Bernoli equation , multiply both sides by y − 1 / 2 y^{-1/2} y − 1/2 then
y − 1 / 2 y ′ + ( x 1 − x 2 ) y 1 / 2 = x y^{-1/2}y' +\left( \frac{x}{1-x^2}\right)y^{1/2}=x y − 1/2 y ′ + ( 1 − x 2 x ) y 1/2 = x
Let z = y 1 / 2 , , z ′ = 1 2 y − 1 / 2 y ′ z=y^{1/2},\ \ \ \ \ ,z'= \frac{1}{2}y^{-1/2}y' z = y 1/2 , , z ′ = 2 1 y − 1/2 y ′ , then
2 z ′ + ( x 1 − x 2 ) z = x z ′ + 1 2 ( x 1 − x 2 ) z = x 2 2z' +\left( \frac{x}{1-x^2}\right)z=x\\
z' +\frac{1}{2}\left( \frac{x}{1-x^2}\right)z=\frac{x}{2} 2 z ′ + ( 1 − x 2 x ) z = x z ′ + 2 1 ( 1 − x 2 x ) z = 2 x
This is a linear equation with integral coefficient
μ = e ∫ ( x 2 ( 1 − x 2 ) ) d x = e − 1 4 ln ( 1 − x 2 ) = ( 1 − x 2 ) − 1 / 4 \mu= e^{\int\left( \frac{ x}{2(1-x^2)}\right)dx }\\
\ \ \ \ = e^{-\frac{1}{4}\ln (1-x^2)}\\
\ \ \ \ =(1-x^2)^{-1/4} μ = e ∫ ( 2 ( 1 − x 2 ) x ) d x = e − 4 1 l n ( 1 − x 2 ) = ( 1 − x 2 ) − 1/4
Then the general solution is
μ z = 1 2 ∫ μ ( x ) d x ( 1 − x 2 ) − 1 / 4 z = 1 2 ∫ x ( 1 − x 2 ) − 1 / 4 d x ( 1 − x 2 ) − 1 / 4 z = − 1 3 ( 1 − x 2 ) 3 4 + C ( 1 − x 2 ) − 1 / 4 y = − 1 3 ( 1 − x 2 ) 3 4 + C \mu z \ \ \ \ \ \ \ \ = \frac{1}{2} \int \mu (x)dx\\
(1-x^2)^{-1/4}z= \frac{1}{2} \int x(1-x^2)^{-1/4}dx\\
(1-x^2)^{-1/4}z=-\frac{1}{3}\left(1-x^2\right)^{\frac{3}{4}}+C\\
(1-x^2)^{-1/4}\sqrt{y}=-\frac{1}{3}\left(1-x^2\right)^{\frac{3}{4}}+C μ z = 2 1 ∫ μ ( x ) d x ( 1 − x 2 ) − 1/4 z = 2 1 ∫ x ( 1 − x 2 ) − 1/4 d x ( 1 − x 2 ) − 1/4 z = − 3 1 ( 1 − x 2 ) 4 3 + C ( 1 − x 2 ) − 1/4 y = − 3 1 ( 1 − x 2 ) 4 3 + C
Since y ( 0 ) = 1 → C = 4 3 y(0)=1\ \ \ \to C= \frac{4}{3} y ( 0 ) = 1 → C = 3 4
( 1 − x 2 ) − 1 / 4 y = − 1 3 ( 1 − x 2 ) 3 4 + 4 3 y = − 1 3 ( 1 − x 2 ) + 4 3 ( 1 − x 2 ) 1 / 4 y = [ − 1 3 ( 1 − x 2 ) + 4 3 ( 1 − x 2 ) 1 / 4 ] 2 (1-x^2)^{-1/4}\sqrt{y}=-\frac{1}{3}\left(1-x^2\right)^{\frac{3}{4}}+\frac{4}{3}\\
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \sqrt{y}= \frac{-1}{3}(1-x^2) +\frac{4}{3}(1-x^2)^{1/4}\\
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ y=\left[ \frac{-1}{3}(1-x^2) +\frac{4}{3}(1-x^2)^{1/4}\right]^2 ( 1 − x 2 ) − 1/4 y = − 3 1 ( 1 − x 2 ) 4 3 + 3 4 y = 3 − 1 ( 1 − x 2 ) + 3 4 ( 1 − x 2 ) 1/4 y = [ 3 − 1 ( 1 − x 2 ) + 3 4 ( 1 − x 2 ) 1/4 ] 2
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