微分方程式の問題

ベルヌーイの微分方程式に関する問題

■問題

次の微分方程式一般解を求めなさい.

dy dx +xy=x y 3

■答

y=± 1 C e x 2 1  Cは任意定数)

■ヒント

ベルヌーイ微分方程式の解法

y +P( x )y=Q( x ) y n   ( n0,1 )

z= y 1n とおいて,これを x z の微分方程式に書き換えれば,線形微分方程式になる.

(詳しくはこちら)

■答

dy dx +xy=x y 3 ・・・・・・(1)

z= y 2  ・・・・・・(2)

とおき,(2)式を x で微分すると

z =2 y 3 y

z = 2 y 3 y

この式の両辺に 1 2 y 3 をかけ,左辺と右辺を入れ換え ると

y = 1 2 y 3 z

これを(1)式に代入すると

1 2 y 3 z +xy=x y 3

この式の両辺を y 3 で割ると

1 2 z x y 2 =x

さらに両辺に 2 をかけると

z 2x y 2 =2x  ・・・・・・(3)

z= y 2 = 1 y 2 なので(3)式に代入すると

z 2xz=2x

線形微分方程式の一般解の公式を利用する

(詳しくはこちら)

線形微分方程式

y +P( x )y=Q( x )

の一般解は

y= e Pdx ( Q e Pdx dx +C )  Cは任意定数)

このことを利用すると

z= e 2xdx ( 2x e 2xdx dx +C )

積分すると

z = e x 2 ( 2x e x 2 dx +C )

積分方法はこちら

= e x 2 ( e x 2 +C )

=C e x 2 1

z= 1 y 2 を代入すると

1 y 2 =C e x 2 1

したがって

( C e x 2 1 ) y 2 =1

y 2 = 1 C e x 2 1

y=± 1 C e x 2 1

 

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最終更新日: 2024年10月7日