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Drupady [299]
3 years ago
11

Test for exactness. If exact, solve it directly. Otherwise, use integrating factors to solve it. Solve the IVP (if given). 2xy +

(x^2) y' = 0
sin(x) cos(y) + cos(x) sin(y) y' = 0
(x^2) + (y^2) - 2xyy' = 0
e^(2x).(2 cos(y) - sin(y) y') = 0, where y(0) = 0​
Mathematics
1 answer:
tia_tia [17]3 years ago
6 0

• 2<em>xy</em> + <em>x</em> ² <em>y'</em> = 0

This DE is exact, since

∂(2<em>xy</em>)/∂<em>y</em> = 2<em>x</em>

∂(<em>x</em> ²)/∂<em>x</em> = 2<em>x</em>

are the same. Then there is a solution of the form <em>f(x, y)</em> = <em>C</em> such that

∂<em>f</em>/∂<em>x</em> = 2<em>xy</em>   ==>   <em>f(x, y)</em> = <em>x</em> ² <em>y</em> + <em>g(y)</em>

∂<em>f</em>/∂<em>y</em> = <em>x</em> ² = <em>x </em>² + d<em>g</em>/d<em>y</em>   ==>   d<em>g</em>/d<em>y</em> = 0   ==>   <em>g(y)</em> = <em>C</em>

==>   <em>f(x, y)</em> = <em>x</em> ² <em>y</em> = <em>C</em>

<em />

• sin(<em>x</em>) cos(<em>y</em>) + cos(<em>x</em>) sin(<em>y</em>) <em>y'</em> = 0

is also exact because

∂(sin(<em>x</em>) cos(<em>y</em>))/∂<em>y</em> = -sin(<em>x</em>) sin(<em>y</em>)

∂(cos(<em>x</em>) sin(<em>y</em>))/∂<em>x</em> = -sin(<em>x</em>) sin(<em>y</em>)

Then

∂<em>f</em>/∂<em>x</em> = sin(<em>x</em>) cos(<em>y</em>)   ==>   <em>f(x, y)</em> = -cos(<em>x</em>) cos(<em>y</em>) + <em>g(y)</em>

∂<em>f</em>/∂<em>y</em> = cos(<em>x</em>) sin(<em>y</em>) = cos(<em>x</em>) sin(<em>y</em>) + d<em>g</em>/d<em>y</em>   ==>   d<em>g</em>/d<em>y</em> = 0   ==>   <em>g(y)</em> = <em>C</em>

==>   <em>f(x, y)</em> = -cos(<em>x</em>) cos(<em>y</em>) = <em>C</em>

<em />

• <em>x</em> ² + <em>y</em> ² - 2<em>xyy'</em> = 0

is not exact:

∂(<em>x</em> ² + <em>y</em> ²)/∂<em>x</em> = 2<em>x</em>

∂(-2<em>xy</em>)/∂<em>y</em> = -2<em>x</em>

So we look for an integrating factor <em>µ(x, y)</em> such that

<em>µ</em> (<em>x</em> ² + <em>y</em> ²) - 2<em>µxyy'</em> = 0

becomes exact, which would require that these be equal:

∂(<em>µ</em> (<em>x</em> ² + <em>y</em> ²))/∂<em>y</em> = (<em>x</em> ² + <em>y</em> ²) ∂<em>µ</em>/∂<em>y</em> + 2<em>µy</em>

∂(-2<em>µxy</em>)/∂<em>x</em> = -2<em>xy</em> ∂<em>µ</em>/∂<em>x</em> - 2<em>µy</em>

Observe that if <em>µ(x, y)</em> = <em>µ(x)</em>, then ∂<em>µ</em>/∂<em>y</em> = 0 and ∂<em>µ</em>/∂<em>x</em> = d<em>µ</em>/d<em>x</em>, so we would have

2<em>µy</em> = -2<em>xy</em> d<em>µ</em>/d<em>x</em> - 2<em>µy</em>

==>   -2<em>xy</em> d<em>µ</em>/d<em>x</em> = 4<em>µy</em>

==>   d<em>µ</em>/<em>µ</em> = -2/<em>x</em> d<em>x</em>

Integrating both sides gives

∫ d<em>µ</em>/<em>µ</em> = ∫ -2/<em>x</em> d<em>x</em>   ==>   ln|<em>µ</em>| = -2 ln|<em>x</em>|   ==>   <em>µ</em> = 1/<em>x</em> ²

So in the modified DE, we have

(1 + <em>y</em> ²/<em>x</em> ²) - 2<em>y</em>/<em>x</em> <em>y'</em> = 0

which is now exact and ready to solve, since

∂(1 + <em>y</em> ²/<em>x</em> ²)/∂<em>y</em> = 2<em>y</em>/<em>x</em> ²

∂(-2<em>y</em>/<em>x</em>)/∂<em>x</em> = 2<em>y</em>/<em>x</em> ²

We get

∂<em>f</em>/∂<em>x</em> = 1 + <em>y</em> ²/<em>x</em> ²   ==>   <em>f(x, y)</em> = <em>x</em> - <em>y</em> ²/<em>x</em> + <em>g(y)</em>

∂<em>f</em>/∂<em>y</em> = -2<em>y</em>/<em>x</em> = -2<em>y</em>/<em>x</em> + d<em>g</em>/d<em>y</em>   ==>   d<em>g</em>/d<em>y</em> = 0   ==>   <em>g(y)</em> = <em>C</em>

==>   <em>f(x, y)</em> = <em>x</em> - <em>y</em> ²/<em>x</em> = <em>C</em>

<em />

• exp(2<em>x</em>) (2 cos(<em>y</em>) - sin(<em>y</em>) <em>y' </em>) = 0

is exact, since

∂(2 exp(2<em>x</em>) cos(<em>y</em>))/∂<em>y</em> = -2 exp(2<em>x</em>) sin(<em>y</em>)

∂(-exp(2<em>x</em>) sin(<em>y</em>))/∂<em>x</em> = -2 exp(2<em>x</em>) sin(<em>y</em>)

Then

∂<em>f</em>/∂<em>x</em> = 2 exp(2<em>x</em>) cos(<em>y</em>)   ==>   <em>f(x, y)</em> = exp(2<em>x</em>) cos(<em>y</em>) + <em>g(y)</em>

∂<em>f</em>/∂<em>y</em> = -exp(2<em>x</em>) sin(<em>y</em>) = -exp(2<em>x</em>) sin(<em>y</em>) + d<em>g</em>/d<em>y</em>   ==>   d<em>g</em>/d<em>y</em> = 0   ==>   <em>g(y)</em> = <em>C</em>

==>   <em>f(x, y)</em> = exp(2<em>x</em>) cos(<em>y</em>) = <em>C</em>

Given that <em>y</em> = 0 when <em>x</em> = 0, we find that

<em>C</em> = exp(0) cos(0) = 1

so that the particular solution is

exp(2<em>x</em>) cos(<em>y</em>) = 1

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