AMKbook.Net Задачи должны иметь решение

Задача №2197

Условие

Найти общий интеграл дифференциального уравнения \(\displaystyle{y'=\frac{x^2+2xy-y^2}{2x^2-2xy}}\).

Решение

Заданное уравнение имеет вид \(\displaystyle{y'=f(x,y)}\), где \(\displaystyle{f(x,y)=\frac{x^2+2xy-y^2}{2x^2-2xy}}\).

\[ f(kx,ky) =\frac{(kx)^2+2kx\cdot{ky}-(ky)^2}{2(kx)^2-2kx\cdot{ky}} =\frac{x^2+2xy-y^2}{2x^2-2xy} =f(x,y). \]

Следовательно, \(\displaystyle{f(x,y)}\) – однородная функция нулевой степени (в иной терминологии: нулевого порядка или нулевого измерения). Это значит, что \(\displaystyle{y'=f(x,y)}\) – однородное дифференциальное уравнение. Полагаем \(\displaystyle{y=u(x)\cdot{x}}\), тогда \(\displaystyle{y'=u'x+u}\).

\[ u'x+u=\frac{x^2+2ux^2-u^2x^2}{2x^2-2ux^2};\; u'x=\frac{1+2u-u^2}{2-2u}-u;\; x\frac{du}{dx}=\frac{u^2+1}{2-2u}. \]

Получили дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными. Разделяя переменные, будем иметь:

\[ \frac{(2-2u)du}{u^2+1}=\frac{dx}{x};\\ \int\frac{(2-2u)du}{u^2+1}=\int\frac{dx}{x};\; \int\left(\frac{2}{u^2+1}-\frac{2u}{u^2+1}\right)du=\int\frac{dx}{x}.\\ 2\arctg{u}-\ln\left(u^2+1\right)=\ln|x|+C;\; 2\arctg{u}-\ln\left(u^2+1\right)-\ln|x|=C. \]

Возвращаясь к прежней неизвестной функции \(\displaystyle{y}\) (с учётом \(\displaystyle{y=ux}\)), получим:

\[ 2\arctg\frac{y}{x}-\ln\left(\frac{y^2}{x^2}+1\right)-\ln|x|=C;\; 2\arctg\frac{y}{x}-\ln\frac{x^2+y^2}{x^2}-\ln|x|=C;\\ 2\arctg\frac{y}{x}-\ln\left(x^2+y^2\right)+\ln{x^2}-\ln|x|=C;\; 2\arctg\frac{y}{x}-\ln\left(x^2+y^2\right)+\ln|x|=C. \]

Ответ:

\(\displaystyle{2\arctg\frac{y}{x}-\ln\left(x^2+y^2\right)+\ln|x|=C}\)

Источники задачи

Задачник №6Кузнецов "Сборник заданий по высшей математике"
Раздел №5Дифференциальные уравнения
Параграф №3Расчётные задания
Задача №2
Пункт №15