Równania różniczkowe zwyczajne o zmiennych rozdzielonych Zadania pochodzą z książki:

Materiały do ćwiczeń z matematyki

Na kierunku Zarządzanie i Marketing

Wydanie drugie poprawione

Toruń 2000

Ewa Dziawgo, Joanna Górka, Józef Stawicki, Maciej Witkowski

Zadanie 25.1

a)

2

'

y +1 = xyy

dy

x

2

y +1 = xy

:/

2

y +1

dx

dx

dx

ydy

=

/ ∫

2

x

y +1

dx

y

∫ = ∫

dy

2

x

y +1

Całkę po prawej stronie wyliczymy poniżej:





2

 y 1 t 

+ =

1

1

y





1

dt

1

−

1 1

2

2

2

∫

dy = 2 ydy = dt  = ∫

= ∫ t dt = ⋅ t + C = y +1 + C

2

2

y +

t

2

2 1

1



1



 ydy = dt

2



2



Zmieniając strony równania otrzymujemy:

Rozwiązanie:

2

y +1 = ln x + C

b)

3

4

y ' = 7 y

dy

3

4 y

3

4

= 7 y :/

dx

dx

dy = 7 dx / ∫

3

4 y

1

∫

dy = 7∫ dx

3

4 y

Całkę po lewej stronie obliczymy poniżej:

3

1

1

1

−

1

4

4

4

4

∫

dy = ∫ y dy =

y + C = 4 y + C = 4 y + C

3

4

1

y

4

Rozwiązanie: 4

4 y = 7 x + C

c)

y ' ctgx + 2 y = 4

dy

ctgx

ctgx = 4 − 2 y

:/

dx

dx

dx

dy = (4 − 2 y)

:/(4-2y)

ctgx

dy

dx

=

/ ∫

4 − 2 y

ctgx

dy

dx

∫

= ∫

4 − 2 y

ctgx

Obliczyć trzeba obie całki. Najpierw policzymy całkę po lewej stronie, potem po prawej stronie.





4 2 y t

−

=

dy





1 dt

1

1

∫

= 2 dy = dt  = ∫ = ln t + C = ln 4− 2 y + C

(4 − 2 y)

2

t

2

2



1



 dy = dt 



2



1

sin x

cos x = t



dt

∫

dx = ∫ tgxdx = ∫

dx = 

 = −∫

= −ln t + C = − ln cos x + C

ctgx

cos x

−sin xdx = dt

t

Możemy teraz podstawić wyliczone całki:

1 ln 4− 2 y = −ln cos x + C

/*2

2

ln 4 − 2 y = −2 ln cos x + 2 C

/e

1

(4 − 2 y) =

⋅2 C

2

cos x

1

−2 y =

⋅2 C − 4

/:(-2)

2

cos x

−1

Rozwiązanie: y =

⋅ C + 2

2

cos x

d)

2

2

2 x yy '+ y = 2

dy

2

x

2

2

2 x y

= 2 − y

:/

dx

dx

2

(2 − y ) dx

2 ydy =

:/(2-y2)

2

x

2 ydy

dx

=

/ ∫

2

2

2 − y

x

2 y

dx

∫

dy = ∫

2

2

2 − y

x

Najpierw policzymy całkę po lewej stronie a potem po prawej stronie.

2

2 − y = t 

2 y





dt

2

∫

dy = −2 ydy = dt  = −∫

= −ln t + C = − ln 2 − y + C

2

2 − y

t

2 ydy

dt 



= − 

1

−

1

−

−1

2

1

∫ dx = ∫ x dx = x + C = + C

2

x

−1

x

1

2

−ln 2 − y = − + C

*/(-1)

x

1

2

ln 2 − y =

+ C

/e

x

1

2

2

x

− y = e ⋅ C

1

2

− = −2

x

y

+ e ⋅ C

*/(-1)

1

Rozwiązanie: 2 = 2

x

y

− e ⋅ C

e)

f) 2 2

x y y '+1 = 0

dy

2

x

2

2

x y

= −1

:/

dx

dx

1

2

y dy = −

dx

/ ∫

2

x

1

2

∫ y dy = −∫ dx

2

x

1

1

3

−1

y = −

x + C

/*3

3

−1

3

3

y =

+ C

x

Rozwiązanie:

3

3

y = x + C

g)

dy

2

x

2

2 x

= y

:/

y

dx

dx

dy

dx

2

=

/ ∫

2

y

x

dy

1

2∫

= ∫ dx

2

y

x

1

2 ln y = − + C

:/2

x

1

ln y = −

+ C

/e

2 x

1

−

+ C

2 x

y = e

C=eC

1

−

Rozwiązanie:

2 x

y = C ⋅ e

h)

dy

2

x

+ y − a = 0

dx

dy

2

x

2

x

= a − y

:/

dx

dx

dx

dy = ( a − y) ⋅

:/ (a-y)

2

x

dy

dx

=

/ ∫

2

a − y

x

dy

dx

∫

= ∫

2

a − y

x

Obliczenie całki po lewej stronie poniżej:

 a − y = t 

dy





dt

∫

= − dy = dt = −∫ = −ln t + C = −ln a − y + C





a − y

t

 dy = − dt

−1

−ln a − y = − x + C

1

−ln a − y = − + C

/e

x

1

− + C

−( − )

x

a

y = e

C = eC

1

− x

y − a = Ce

1

−

Rozwiązanie:

x

y = C ⋅ e

+ a

i)

dy

2

2

x 1+ y + y 1+ x

= 0

dx

dy

2

1+ x

2

2

y 1+ x

= − x 1+ y

:/

dx

dx

2

x 1+ y

ydy = −

:/

2

1+ y

2

1+ x

ydy

xdx

= −

/ ∫

2

2

1+ y

1+ x

ydy

xdx

∫

= ∫

2

2

1+ y

1+ x

Obie całki są podobne, dlatego zostanie poniżej wyliczona całka dla y. Całka dla x będzie identyczna.





2

1



y

t 

+

=

1

1

ydy





1 dt

1

−

1 1

2

2

2

∫

= 2 ydy = dt  = ∫ = ∫ t dt = ⋅ ⋅ t = 1+ y 1

2

2

2

2 1

1+ y





2

1

t

 ydy = dt

2



2



Rozwiązanie:

2

2

1+ y = − 1+ x + C

j)

dy

dy

2

− x =1− x

dx

dx

dy

dy

2

x

+

= x +1

dx

dx

dy

2

x +1

2

( x +1) = x +1

:/

dx

dx

x +1

dy =

dx

/ ∫

2

x +1

x +1

∫ dy = ∫

dx

2

x +1

Obliczyć należy całkę po prawej stronie, co uczynimy poniżej:





2





1

1

x +1 = t

dt +1

dt

x +1





1

1

1

1

1

1

2

2

2

2

∫

= 2 xdx = dt  = ∫

= ∫(

+ ) = ln t + ∫ = ln x +1 + ∫

= ln 1+ x + arctgx + C

2

2

x +1

t

t

t

2

t

2

1+ x

2



1



 xdx = dt



2



1

Rozwiązanie:

2

y =

ln 1+ x + arctgx + C

2

k)

dy

dy

3

3

x y + y + xy

− x

= 0

dx

dx

dy

dy

3

3

xy

− x

= − x y − y

dx

dx

dy

3

3

x( y −1) = − y( x +1)

:/ -yx

dx

3

3

dy y −1

x +1

⋅

=

*/dx

dx

− y

x

3

3

y −1

x +1

dy =

dx

− y

x

dy

dx

2

2

− y dy +

= x dx +

/ ∫

y

x

1

1

Rozwiązanie:

3

3

− y + ln y = x + ln x + C

3

3

l)

dy

2

2

(1+ x )

− 1− y = 0

dx

dy

2

2

(1+ x ) ⋅ 1− y

2

2

(1+ x )

= 1− y

:/

dx

dx

dy

dx

=

/ ∫

2

2

1

1−

+ x

y

dy

dx

∫

= ∫

2

2

1

1−

+ x

y

Rozwiązanie: arcsin y = arctgx + C

m)

dy

sin x ⋅sin y

= cos x ⋅cos y

:/ sin x ⋅ cos y

dx

sin y dy

cos x

=

*/ dx

cos y dx

sin x

tgydy = ctgxdx

/ ∫

∫ tgydy = ∫ ctgxdx

Obliczenie obu całek poniżej zaczynając od lewej strony:

cos x = t



sin x





dt

∫ tgydy = ∫

dx = − sin xdx = dt = −∫

= −ln t + C = −ln cos y + C





cos x

t

sin xdx = − dt 

cos x

sin x = t



dt

∫ ctgxdx = ∫

dx = 

 = ∫

= ln t + C = ln sin x + C

sin x

cos xdx = dt

t

−ln cos y = ln sin x + C

*/(-1)

ln cos y = − ln sin x + C

1

ln cos y = ln

+ ln C

/e

sin x

C

Rozwiązanie: cos y =

sin x

n)

' 10 x z

z

+

=

dz =10 x+ z

*/dx

dx

=10 x ⋅10 z

dz

dx

:/10z

dz =10 xdx

/ ∫

10 z

dz

∫

= ∫10 xdx

10 z

∫10− z = ∫10 x

dz

dx

10− z

10 x

−

=

+ C

*/ (-ln10)

ln10

ln10

Rozwi

−

ązanie: 10 z = −10 x + C

o)

y

2

(1+

) '− 2 (1

y

e

x y

x + e ) = 0

y

2

(1+

) ' = 2 (1

y

e

x y

x + e )

:/

2

(1+

) ⋅ (1

y

x

+ e )

y

e

dy

2 x

=

*/ dx

y

2

1+ e dx

1+ x

y

e

2 x

dy =

dx

/ ∫

y

2

1+ e

1+ x

Rozwiązanie obu całek poniżej. Najpierw ta po lewej stronie, potem ta po prawej stronie.

e

1

y

y

 + e = t 

dt

∫

dy = 

 = ∫

= ln t + C = ln 1

y

+ e + C

1

y

y

+ e

 e dy = dt

t



2

2 x

1

 + x = t 

dt

2

∫

dx = 

 = ∫

= ln t + C = ln 1+ x + C

2

1+ x

2 xdx = dt

t

y

2

ln 1+ e = ln 1+ x + C

/e

y

2

(1+ e ) = (1+ x ) ⋅ C

y

2

e = (1

 + x ) ⋅ C −1

/ln

Rozwiązanie:

2

y = ln (1+ x ) ⋅ C −1

p)

2

2

xy(1+ x ) y ' = 1+ y

:/

2

2

x(1+ x )(1+ y )

y

dy

1

=

*/ dx

2

2

1+ y dx

x(1+ x )

ydy

dx

=

/ ∫

2

2

1+ y

x(1+ x )

ydy

dx

∫

= ∫

2

2

1+ y

x(1+ x )

Rozwiązanie obu całek poniżej. Najpierw ta po lewej stronie, potem ta po prawej stronie.





2

1



y

t 

+

=

ydy





1 dt

1

1

2

∫

= 2 ydy = dt = ∫ = ln t + C = ln 1+ y + C

2

1+ y

2

t

2

2



1



 dy = dt 



2



1

A

Bx + C

= +

.*/ x(1+x2)

2

2

x(1+ x )

x

1+ x

2

2

2

1 = (

A 1+ x ) + ( Bx + C) x = A + Ax + Bx + Cx A = 1 ; A + B = 0 ; C = 0

A=1; B=-1; C=0

dx

dx

− xdx

∫

= ∫ + ∫

Druga całka po prawej stronie jest podobna do całki z y powyżej.

2

2

x(1+ x )

x

1+ x

Podstawiając wyliczone całki otrzymujemy:

1

1

2

2

ln 1+ y = ln x − ln 1+ x + C */2

2

2

2

2

ln 1+ y = 2 ln x − ln 1+ x + C

2

x

2

ln 1+ y = ln

+ ln C

/e

2

1+ x

2

x

2

(1+ y ) =

⋅ C

2

1+ x

2

x

Rozwiązanie: 2

y = C ⋅

−1

2

1+ x

Koniec.