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完全微分方程式

NNyy で積分して FF を作り、未知の xx の関数を補っても同じ結果になります。

MyNxM_y\ne N_x なら、そのままでは完全ではありません。ただし MyNxN\frac{M_y-N_x}{N}xx だけの関数 r(x)r(x) なら μ(x)=er(x)dx\mu(x)=e^{\int r(x)dx} が積分因子です。同様に NxMyM\frac{N_x-M_y}{M}yy だけの関数なら yy だけの積分因子を探せます。

Q基本:完全性判定★☆☆
(y+2x)dx+(x+2y)dy=0(y+2x)dx+(x+2y)dy=0 が完全か判定してください。
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MyM_yNxN_x を比較します。
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My=1=NxM_y=1=N_x なので R2\mathbb R^2 上で完全です。ポテンシャルは F=xy+x2+y2F=xy+x^2+y^2 です。
Q標準:初期条件★★☆
前問の方程式で y(0)=1y(0)=1 を満たす陰関数解を求めてください。
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F(0,1)F(0,1) を計算します。
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C=1C=1 なので xy+x2+y2=1xy+x^2+y^2=1。微分すると (y+2x)+(x+2y)y=0(y+2x)+(x+2y)y'=0 となり元の方程式へ戻ります。
Q発展:積分因子★★★
2ydx+xdy=02y\,dx+x\,dy=0xx だけの積分因子を求め、解いてください。x>0x>0 とします。
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MyNxN=21x=1x\frac{M_y-N_x}{N}=\frac{2-1}{x}=\frac{1}{x}
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μ=edxx=x\mu=e^{\int \frac{dx}{x}}=x。掛けると 2xydx+x2dy=0=d(x2y)2xy\,dx+x^2\,dy=0=d(x^2y)。したがって x2y=Cx^2y=C、すなわち y=Cx2y=\frac{C}{x^2}。代入すると 2y+xy=2Cx22Cx2=02y+xy'=\frac{2C}{x^2}-\frac{2C}{x^2}=0 です。