Задача №2251

Решение

Заданное уравнение имеет вид \(\displaystyle{y'+p(x)y=q(x)}\), где \(\displaystyle{p(x)=-\frac{1}{x}}\), \(\displaystyle{q(x)=x\sin{x}}\), поэтому это линейное неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка. Функция \(\displaystyle{p(x)}\) непрерывна на любом промежутке, на котором \(\displaystyle{x\neq{0}}\), а функция \(\displaystyle{q(x)}\) непрерывна при \(\displaystyle{x\in{R}}\). Исходя из начального условия, будем искать общее решение рассматриваемого уравнения при \(\displaystyle{x\gt{0}}\).

Решение данного уравнения ищем в виде произведения двух функций: \(\displaystyle{y(x)=u(x)\cdot{v(x)}}\). Так как \(\displaystyle{y=uv}\), то \(\displaystyle{y'=u'v+uv'}\). Заданное уравнение примет такой вид:

В качестве функции \(\displaystyle{v}\) возьмём произвольное ненулевое частное решение уравнения \(\displaystyle{v'-\frac{v}{x}=0}\). Это дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными. Разделяем переменные и интегрируем:

Принимая \(\displaystyle{C=0}\), получим \(\displaystyle{|v|=x}\), откуда \(\displaystyle{v=-x}\) или \(\displaystyle{v=x}\). Для дальнейших преобразований можно взять любую из полученных функций. Выберем \(\displaystyle{v=x}\).

Подставляем \(\displaystyle{v=x}\) в уравнение \(\displaystyle{\eqref{eq:1}}\), учитывая при этом, что \(\displaystyle{v'-\frac{v}{x}=0}\):

Общее решение исходного дифференциального уравнения будет таким:

Найдём значение \(\displaystyle{C}\), при котором частное решение удовлетворяет начальному условию \(\displaystyle{y\left(\frac{\pi}{2}\right)=1}\):

Следовательно, искомое частное решение имеет такой вид: