1

المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

الرياضيات : المعادلات التفاضلية و التكاملية : معادلات تفاضلية :

Exact First-Order Ordinary Differential Equation

المؤلف:  Boyce, W. E. and DiPrima, R. C

المصدر:  Elementary Differential Equations and Boundary Value Problems, 4th ed. New York: Wiley

الجزء والصفحة:  ...

11-6-2018

1589

Exact First-Order Ordinary Differential Equation

Consider a first-order ODE in the slightly different form

 p(x,y)dx+q(x,y)dy=0.

(1)

Such an equation is said to be exact if

 (partialp)/(partialy)=(partialq)/(partialx).

(2)

This statement is equivalent to the requirement that a conservative field exists, so that a scalar potential can be defined. For an exact equation, the solution is

 int_((x_0,y_0))^((x,y))p(x,y)dx+q(x,y)dy=c,

(3)

where c is a constant.

A first-order ODE (◇) is said to be inexact if

 (partialp)/(partialy)!=(partialq)/(partialx).

(4)

For a nonexact equation, the solution may be obtained by defining an integrating factor mu of (◇) so that the new equation

 mup(x,y)dx+muq(x,y)dy=0

(5)

satisfies

 partial/(partialy)(mup)=partial/(partialx)(muq),

(6)

or, written out explicitly,

 p(partialmu)/(partialy)+mu(partialp)/(partialy)=q(partialmu)/(partialx)+mu(partialq)/(partialx).

(7)

This transforms the nonexact equation into an exact one. Solving (7) for mu gives

 mu=(q(partialmu)/(partialx)-p(partialmu)/(partialy))/((partialp)/(partialy)-(partialq)/(partialx)).

(8)

Therefore, if a function mu satisfying (8) can be found, then writing

P(x,y) = mup

(9)

Q(x,y) = muq

(10)

in equation (◇) then gives

 P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0,

(11)

which is then an exact ODE. Special cases in which mu can be found include x-dependent, xy-dependent, and y-dependent integrating factors.

Given an inexact first-order ODE, we can also look for an integrating factor mu(x) so that

 (partialmu)/(partialy)=0.

(12)

For the equation to be exact in mup and muq, the equation for a first-order nonexact ODE

 p(partialmu)/(partialy)+mu(partialp)/(partialy)=q(partialmu)/(partialx)+mu(partialp)/(partialx)

(13)

becomes

 mu(partialp)/(partialy)=q(partialmu)/(partialx)+mu(partialp)/(partialx).

(14)

Solving for partialmu/partialx gives

(partialmu)/(partialx) = mu(x)((partialp)/(partialy)-(partialq)/(partialx))/q

(15)

= f(x,y)mu(x),

(16)

which will be integrable if

f(x,y) = ((partialp)/(partialy)-(partialq)/(partialx))/q

(17)

= f(x),

(18)

in which case

 (dmu)/mu=f(x)dx,

(19)

so that the equation is integrable

 mu(x)=e^(intf(x)dx),

(20)

and the equation

 [mup(x,y)]dx+[muq(x,y)]dy=0

(21)

with known mu(x) is now exact and can be solved as an exact ODE.

Given an exact first-order ODE, look for an integrating factor mu(x,y)=g(xy). Then

 (partialmu)/(partialx)=(partialg)/(partialx)y

(22)

 (partialmu)/(partialy)=(partialg)/(partialy)x.

(23)

Combining these two,

 (partialmu)/(partialx)=y/x(partialmu)/(partialy).

(24)

For the equation to be exact in mup and muq, the equation for a first-order nonexact ODE

 p(partialmu)/(partialy)+mu(partialp)/(partialy)=q(partialmu)/(partialx)+mu(partialp)/(partialx)

(25)

becomes

 (partialmu)/(partialy)(p-y/xq)=((partialq)/(partialx)-(partialp)/(partialy))mu.

(26)

Therefore,

 1/x(partialmu)/(partialy)=((partialq)/(partialx)-(partialp)/(partialy))/(xp-yq)mu.

(27)

Define a new variable

 t(x,y)=xy,

(28)

then partialt/partialy=x, so

 (partialmu)/(partialt)=(partialmu)/(partialy)(partialy)/(partialt)=((partialq)/(partialx)-(partialp)/(partialy))/(xp-yq)mu(t)=f(x,y)mu(t).

(29)

Now, if

 f(x,y)=((partialq)/(partialx)-(partialp)/(partialy))/(xp-yq)=f(xy)=f(t),

(30)

then

 (partialmu)/(partialt)=f(t)mu(t),

(31)

so that

 mu=e^(intf(t)dt)

(32)

and the equation

 [mup(x,y)]dx+[muq(x,y)]dy=0

(33)

is now exact and can be solved as an exact ODE.

Given an inexact first-order ODE, assume there exists an integrating factor

 mu=f(y),

(34)

so partialmu/partialx=0. For the equation to be exact in mup and muq, equation (◇) becomes

 (partialmu)/(partialy)=((partialq)/(partialx)-(partialp)/(partialy))/pmu=f(x,y)mu(y).

(35)

Now, if

 f(x,y)=((partialq)/(partialx)-(partialp)/(partialy))/p=f(y),

(36)

then

 (dmu)/mu=f(y)dy,

(37)

so that

 mu(y)=e^(intf(y)dy),

(38)

and the equation

 mup(x,y)dx+muq(x,y)dy=0

(39)

is now exact and can be solved as an exact ODE.

Given a first-order ODE of the form

 yf(xy)dx+xg(xy)dy=0,

(40)

define

 v=xy.

(41)

Then the solution is

 <span style={lnx=int(g(v)dv)/(c[g(v)-f(v)])+c for g(v)!=f(v); xy=c for g(v)=f(v). " src="http://mathworld.wolfram.com/images/equations/ExactFirst-OrderOrdinaryDifferentialEquation/NumberedEquation36.gif" style="height:64px; width:278px" />

(42)

If

 (dy)/(dx)=F(x,y)=G(v),

(43)

where

 v=y/x,

(44)

then letting

 y=xv

(45)

gives

 (dy)/(dx)=xdv/dx+v

(46)

 x(dv)/(dx)+v=G(v).

(47)

This can be integrated by quadratures, so

 lnx=int(dv)/(f(v)-v)+c    for f(v)!=v

(48)

 y=cx    forf(v)=v.

(49)

 


REFERENCES:

Boyce, W. E. and DiPrima, R. C. Elementary Differential Equations and Boundary Value Problems, 4th ed. New York: Wiley, 1986.

Ross, C. C. §3.3 in Differential Equations. New York: Springer-Verlag, 2004.

Zwillinger, D. Ch. 62 in Handbook of Differential Equations. San Diego, CA: Academic Press, 1997.

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي