分式微分方程(2x^3+3xy^2+x)/(3x^2y+2y^3-y)的通解

2021-01-08 吉祿學閣

本文主要內容,通過數學變形,並利用可分離變量方法求解分式微分方程dy/dx=(2x^3+3xy^2+x)/(3x^2y+2y^3-y)的通解。

第一步:微分方程基本變形:

dy/dx=(2x^3+3xy^2+x)/(3x^2y+2y^3-y),

右邊分母分子分別提取公因式x,y,則:

dy/dx=x(2x^2+3y^2+1)/y(3x^2+2y^2-1),

將右邊提出的x,y移動到等號左邊。

ydy/xdx=(2x^2+3y^2+1)/(3x^2+2y^2-1),

左邊湊分分別到dy、dx中,得:

dy^2/dx^2=(2x^2+3y^2+1)/(3x^2+2y^2-1)。

第二步,對等號右邊進行分離變形

設:(2x^2+3y^2+1)/(3x^2+2y^2-1)

=[2(x^2+a)+3(y^2+b)]/[3(x^2+a)+2(y^2+b)].

由對應項係數相等方程:

2a+3b=1,且3a+2b=-1。解方程得a=-1,b=1.

代入微分方程得:

dy^2/dx^2=[2(x^2-1)+3(y^2+1)]/[3(x^2-1)+2(y^2+1)].

第三步,換元法得新微分方程

設:u=(y^2+1)/(x^2-1),則:

u(x^2-1)=y^2+1,兩邊求全微分得:

(x^2-1)du+udx^2=dy^2

dy^2/dx^2=u+(x^2-1)du/dx^2,回代微分方程得:

u+(x^2-1)du/dx^2

=[2(x^2-1)+3u(x^2-1)]/[3(x^2-1)+2u(x^2-1)]

=(2+3u)/(3+2u)。

第四步,對新微分方程積分

用分離變量積分法,對變形後的微分方程積分如下:

(x^2-1)du/dx^2=2(1-u^2)/(3+2u)

(3+2u)du/(1-u^2)=2dx^2/(x^2-1)

3∫du/(1-u^2)-∫d(1-u^2)/(1-u^2)=2∫d(x^2-1)/(x^2-1)

ln[(1+u)/(1-u)]^(3/2)-ln|1-u^2|=ln(x^2-1)^2+c1

[(1+u)/(1-u)]^(3/2)/(1-u^2)=c2(x^2-1)^2.

(1+u)^(1/2)*(1-u)^(-5/2)=c2(x^2-1)^2.

第五步,回代換元變量,得方程通解

(1+u)^(1/2)=c2(x^2-1)^2*(1-u)^(5/2).

[(x^2+y^2)/(x^2-1)]^(1/2)=c2(x^2-1)^2*[(x^2-y^2-2)/(x^2-1)]^(5/2)

[(x^2+y^2)/(x^2-1)]^(1/2)=c2(x^2-1)^(-1/2)*(x^2-y^2-2)^(5/2)

即:本題微分方程的通解為:

(x^2+y^2)=C(x^2-y^2-2)^5。

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