Answer on question 40471 – Math – Differential equation
Solve the differential equation
p 2 + 2 p y cot x − y 2 = 0 , p^2 + 2 p y \cot x - y^2 = 0, p 2 + 2 p y cot x − y 2 = 0 ,
where p = y ′ p = y' p = y ′ .
Solution:
We have
( y ′ ) 2 + 2 y ′ y cot x − y 2 = 0 , (y')^2 + 2 y' y \cot x - y^2 = 0, ( y ′ ) 2 + 2 y ′ y cot x − y 2 = 0 , ( y ′ ) 2 + 2 y ′ y cot x − y 2 y 2 = 0 , y ≠ 0 , \frac{(y')^2 + 2 y' y \cot x - y^2}{y^2} = 0, \qquad y \neq 0, y 2 ( y ′ ) 2 + 2 y ′ y cot x − y 2 = 0 , y = 0 , ( y ′ y ) 2 + 2 y ′ y cot x − 1 = 0. \left(\frac{y'}{y}\right)^2 + 2 \frac{y'}{y} \cot x - 1 = 0. ( y y ′ ) 2 + 2 y y ′ cot x − 1 = 0.
Denote
z = y ′ y . z = \frac{y'}{y}. z = y y ′ .
Thus we have next equation
z 2 + 2 z cot x − 1 = 0 , z^2 + 2 z \cot x - 1 = 0, z 2 + 2 z cot x − 1 = 0 , D = ( 2 cot x ) 2 − 4 ⋅ 1 ⋅ ( − 1 ) = 4 cot 2 x + 4 = 4 ( 1 + cot 2 x ) = 4 sin 2 x > 0. D = (2 \cot x)^2 - 4 \cdot 1 \cdot (-1) = 4 \cot^2 x + 4 = 4 (1 + \cot^2 x) = \frac{4}{\sin^2 x} > 0. D = ( 2 cot x ) 2 − 4 ⋅ 1 ⋅ ( − 1 ) = 4 cot 2 x + 4 = 4 ( 1 + cot 2 x ) = sin 2 x 4 > 0.
So we get two cases
1)
z = − 2 cot x + 4 sin 2 x 2 = − cos x sin x + 1 sin x = 1 − cos x sin x , z = \frac{-2 \cot x + \sqrt{\frac{4}{\sin^2 x}}}{2} = -\frac{\cos x}{\sin x} + \frac{1}{\sin x} = \frac{1 - \cos x}{\sin x}, z = 2 − 2 cot x + s i n 2 x 4 = − sin x cos x + sin x 1 = sin x 1 − cos x , y ′ y = 1 − cos x sin x , \frac{y'}{y} = \frac{1 - \cos x}{\sin x}, y y ′ = sin x 1 − cos x , d y y = 1 − cos x sin x d x , \frac{dy}{y} = \frac{1 - \cos x}{\sin x} \, dx, y d y = sin x 1 − cos x d x , ∫ d y y = ∫ 1 − cos x sin x d x , \int \frac{dy}{y} = \int \frac{1 - \cos x}{\sin x} \, dx, ∫ y d y = ∫ sin x 1 − cos x d x , ln y = ∫ 1 − cos x sin x d x . \ln y = \int \frac{1 - \cos x}{\sin x} \, dx. ln y = ∫ sin x 1 − cos x d x .
We have
∫ 1 − cos x sin x d x = − ∫ 1 − cos x sin 2 x d ( cos x ) = − ∫ 1 − cos x 1 − cos 2 x d ( cos x ) = = − ∫ 1 − cos x ( 1 − cos x ) ( 1 + cos x ) d ( cos x ) = − ∫ 1 1 + cos x d ( cos x ) = = − ∫ 1 1 + cos x d ( 1 + cos x ) = − ln ( 1 + cos x ) + C . \begin{aligned}
& \int \frac{1 - \cos x}{\sin x} dx = - \int \frac{1 - \cos x}{\sin^2 x} d(\cos x) = - \int \frac{1 - \cos x}{1 - \cos^2 x} d(\cos x) = \\
& = - \int \frac{1 - \cos x}{(1 - \cos x)(1 + \cos x)} d(\cos x) = - \int \frac{1}{1 + \cos x} d(\cos x) = \\
& = - \int \frac{1}{1 + \cos x} d(1 + \cos x) = - \ln(1 + \cos x) + C.
\end{aligned} ∫ sin x 1 − cos x d x = − ∫ sin 2 x 1 − cos x d ( cos x ) = − ∫ 1 − cos 2 x 1 − cos x d ( cos x ) = = − ∫ ( 1 − cos x ) ( 1 + cos x ) 1 − cos x d ( cos x ) = − ∫ 1 + cos x 1 d ( cos x ) = = − ∫ 1 + cos x 1 d ( 1 + cos x ) = − ln ( 1 + cos x ) + C .
So we get
ln y = − ln ( 1 + cos x ) + C , \ln y = - \ln(1 + \cos x) + C, ln y = − ln ( 1 + cos x ) + C , ln y = ln 1 1 + cos x + C , \ln y = \ln \frac{1}{1 + \cos x} + C, ln y = ln 1 + cos x 1 + C , y ( x ) = c 1 + cos x , y(x) = \frac{c}{1 + \cos x}, y ( x ) = 1 + cos x c ,
where c = e c c = e^c c = e c .
2)
z = − 2 cot x − 4 sin 2 x 2 = − cos x sin x − 1 sin x = − 1 + cos x sin x , z = \frac{ -2 \cot x - \sqrt{\frac{4}{\sin^2 x} } }{2} = - \frac{\cos x}{\sin x} - \frac{1}{\sin x} = - \frac{1 + \cos x}{\sin x}, z = 2 − 2 cot x − s i n 2 x 4 = − sin x cos x − sin x 1 = − sin x 1 + cos x , y ′ y = − 1 + cos x sin x , \frac{y'}{y} = - \frac{1 + \cos x}{\sin x}, y y ′ = − sin x 1 + cos x , d y y = − 1 + cos x sin x d x , \frac{dy}{y} = - \frac{1 + \cos x}{\sin x} dx, y d y = − sin x 1 + cos x d x , ∫ d y y = − ∫ 1 + cos x sin x d x , \int \frac{dy}{y} = - \int \frac{1 + \cos x}{\sin x} dx, ∫ y d y = − ∫ sin x 1 + cos x d x , ln y = − ∫ 1 + cos x sin x d x . \ln y = - \int \frac{1 + \cos x}{\sin x} dx. ln y = − ∫ sin x 1 + cos x d x .
We have
− ∫ 1 + cos x sin x d x = ∫ 1 + cos x sin 2 x d ( cos x ) = ∫ 1 + cos x 1 − cos 2 x d ( cos x ) = = ∫ 1 + cos x ( 1 − cos x ) ( 1 + cos x ) d ( cos x ) = − ∫ 1 1 − cos x d ( 1 − cos x ) = = − ∫ 1 1 − cos x d ( 1 − cos x ) = − ln ( 1 − cos x ) + C . \begin{aligned}
& - \int \frac{1 + \cos x}{\sin x} dx = \int \frac{1 + \cos x}{\sin^2 x} d(\cos x) = \int \frac{1 + \cos x}{1 - \cos^2 x} d(\cos x) = \\
& = \int \frac{1 + \cos x}{(1 - \cos x)(1 + \cos x)} d(\cos x) = - \int \frac{1}{1 - \cos x} d(1 - \cos x) = \\
& = - \int \frac{1}{1 - \cos x} d(1 - \cos x) = - \ln(1 - \cos x) + C.
\end{aligned} − ∫ sin x 1 + cos x d x = ∫ sin 2 x 1 + cos x d ( cos x ) = ∫ 1 − cos 2 x 1 + cos x d ( cos x ) = = ∫ ( 1 − cos x ) ( 1 + cos x ) 1 + cos x d ( cos x ) = − ∫ 1 − cos x 1 d ( 1 − cos x ) = = − ∫ 1 − cos x 1 d ( 1 − cos x ) = − ln ( 1 − cos x ) + C .
So we get
ln y = − ln ( 1 − cos x ) + C , \ln y = - \ln (1 - \cos x) + C, ln y = − ln ( 1 − cos x ) + C , ln y = ln 1 1 − cos x + C , \ln y = \ln \frac {1}{1 - \cos x} + C, ln y = ln 1 − cos x 1 + C , y ( x ) = c 1 − cos x , y (x) = \frac {c}{1 - \cos x}, y ( x ) = 1 − cos x c ,
where c = e C c = e^{C} c = e C
Answer:
y ( x ) = c 1 + cos x y (x) = \frac {c}{1 + \cos x} y ( x ) = 1 + cos x c
or
y ( x ) = c 1 − cos x . y (x) = \frac {c}{1 - \cos x}. y ( x ) = 1 − cos x c .