Given: ( x 2 + y 2 ) y ′ = y 2 (x^2+y^2)y'=y^2 ( x 2 + y 2 ) y ′ = y 2
⇒ ( x 2 + y 2 ) d y d x = y 2 \Rightarrow (x^2+y^2)\frac{dy}{dx}=y^2 ⇒ ( x 2 + y 2 ) d x d y = y 2
⇒ d x d y = x 2 + y 2 y 2 = x 2 y 2 + 1 \Rightarrow \frac{dx}{dy}=\frac{x^2+y^2}{y^2}=\frac{x^2}{y^2}+1 ⇒ d y d x = y 2 x 2 + y 2 = y 2 x 2 + 1
Take the substitution x = v y ⇒ d x d y = v + y d v d y x=vy\Rightarrow \frac{dx}{dy}=v+y\frac{dv}{dy} x = v y ⇒ d y d x = v + y d y d v
Then the given differential equation becomes
v + y d v d y = v 2 y 2 y 2 + 1 = v 2 + 1 v+y\frac{dv}{dy}=\frac{v^2y^2}{y^2}+1=v^2+1 v + y d y d v = y 2 v 2 y 2 + 1 = v 2 + 1
⇒ y d v d y = v 2 y 2 y 2 + 1 = v 2 − v + 1 \Rightarrow y\frac{dv}{dy}=\frac{v^2y^2}{y^2}+1=v^2-v+1 ⇒ y d y d v = y 2 v 2 y 2 + 1 = v 2 − v + 1
Using separation of variables, we get
d v v 2 − v + 1 = d y y \frac{dv}{v^2-v+1}=\frac{dy}{y} v 2 − v + 1 d v = y d y
Integrating on both sides, we get
∫ d v v 2 − v + 1 = ∫ d y y \int \frac{dv}{v^2-v+1}=\int \frac{dy}{y} ∫ v 2 − v + 1 d v = ∫ y d y
∫ d v v 2 − v + 1 4 − 1 4 + 1 = ∫ d y y \int \frac{dv}{v^2-v+\frac{1}{4}-\frac{1}{4}+1}=\int \frac{dy}{y} ∫ v 2 − v + 4 1 − 4 1 + 1 d v = ∫ y d y
∫ d v ( v − 1 2 ) 2 + ( 3 2 ) 2 = ∫ d y y \int \frac{dv}{(v-\frac{1}{2})^2+(\frac{\sqrt{3}}{2})^2}=\int \frac{dy}{y} ∫ ( v − 2 1 ) 2 + ( 2 3 ) 2 d v = ∫ y d y
1 3 / 2 a r c t a n ( v − 1 2 3 / 2 ) = l n ( y ) + c \frac{1}{\sqrt{3}/2}arctan(\frac{v-\frac{1}{2}}{\sqrt{3}/2})=ln(y)+c 3 /2 1 a rc t an ( 3 /2 v − 2 1 ) = l n ( y ) + c
2 3 a r c t a n ( 2 v − 1 3 ) = l n ( y ) + c \frac{2}{\sqrt{3}}arctan(\frac{2v-1}{\sqrt{3}})=ln(y)+c 3 2 a rc t an ( 3 2 v − 1 ) = l n ( y ) + c
Substituting v = x y v=\frac{x}{y} v = y x , we get
2 3 a r c t a n ( 2 ( x / y ) − 1 3 ) = l n ( y ) + c \frac{2}{\sqrt{3}}arctan(\frac{2(x/y)-1}{\sqrt{3}})=ln(y)+c 3 2 a rc t an ( 3 2 ( x / y ) − 1 ) = l n ( y ) + c
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