AMKbook.Net Задачи должны иметь решение

Задача №2209

Условие

Найти общий интеграл дифференциального уравнения \(\displaystyle{y'=\frac{x^2+xy-5y^2}{x^2-6xy}}\).

Решение

Заданное уравнение имеет вид \(\displaystyle{y'=f(x,y)}\), где \(\displaystyle{f(x,y)=\frac{x^2+xy-5y^2}{x^2-6xy}}\).

\[ f(kx,ky) =\frac{(kx)^2+kx\cdot{ky}-5(ky)^2}{(kx)^2-6kx\cdot{ky}} =\frac{x^2+xy-5y^2}{x^2-6xy} =f(x,y). \]

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 \(\displaystyle{y'=u'x+u}\).

\[ u'x+u=\frac{x^2+ux^2-5u^2x^2}{x^2-6ux^2};\; u'x=\frac{1+u-5u^2}{1-6u}-u;\; x\frac{du}{dx}=\frac{u^2+1}{1-6u}. \]

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

\[ \frac{(1-6u)du}{u^2+1}=\frac{dx}{x};\\ \int\frac{(1-6u)du}{u^2+1}=\int\frac{dx}{x};\; \int\left(\frac{1}{u^2+1}-\frac{6u}{u^2+1}\right)du=\int\frac{dx}{x}.\\ \arctg{u}-3\ln\left(u^2+1\right)=\ln|x|+C;\; \arctg{u}-3\ln\left(u^2+1\right)-\ln|x|=C. \]

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

\[ \arctg\frac{y}{x}-3\ln\left(\frac{y^2}{x^2}+1\right)-\ln|x|=C;\; \arctg\frac{y}{x}-3\ln\frac{x^2+y^2}{x^2}-\ln|x|=C;\\ \arctg\frac{y}{x}-3\ln\left(x^2+y^2\right)+3\ln{x^2}-\ln|x|=C;\; \arctg\frac{y}{x}-3\ln\left(x^2+y^2\right)+5\ln|x|=C. \]

Ответ:

\(\displaystyle{\arctg\frac{y}{x}-3\ln\left(x^2+y^2\right)+5\ln|x|=C}\)

Источники задачи

Задачник №6Кузнецов "Сборник заданий по высшей математике"
Раздел №5Дифференциальные уравнения
Параграф №3Расчётные задания
Задача №2
Пункт №27