本文主要内容,通过数学变形,并利用可分离变量方法求解分式微分方程dy/dx=(2x^3 3xy^2 x)/(3x^2y 2y^3-y)的通解。
第一步:微分方程基本变形:
dy/dx=(2x^3 3xy^2 x)/(3x^2y 2y^3-y),
右边分母分子分别提取公因式x,y,则:
dy/dx=x(2x^2 3y^2 1)/y(3x^2 2y^2-1),
将右边提出的x,y移动到等号左边。
ydy/xdx=(2x^2 3y^2 1)/(3x^2 2y^2-1),
左边凑分分别到dy、dx中,得:
dy^2/dx^2=(2x^2 3y^2 1)/(3x^2 2y^2-1)。
第二步,对等号右边进行分离变形
设:(2x^2 3y^2 1)/(3x^2 2y^2-1)
=[2(x^2 a) 3(y^2 b)]/[3(x^2 a) 2(y^2 b)].
由对应项系数相等方程:
2a 3b=1,且3a 2b=-1。解方程得a=-1,b=1.
代入微分方程得:
dy^2/dx^2=[2(x^2-1) 3(y^2 1)]/[3(x^2-1) 2(y^2 1)].
第三步,换元法得新微分方程
设:u=(y^2 1)/(x^2-1),则:
u(x^2-1)=y^2 1,两边求全微分得:
(x^2-1)du udx^2=dy^2
dy^2/dx^2=u (x^2-1)du/dx^2,回代微分方程得:
u (x^2-1)du/dx^2
=[2(x^2-1) 3u(x^2-1)]/[3(x^2-1) 2u(x^2-1)]
=(2 3u)/(3 2u)。
第四步,对新微分方程积分
用分离变量积分法,对变形后的微分方程积分如下:
(x^2-1)du/dx^2=2(1-u^2)/(3 2u)
(3 2u)du/(1-u^2)=2dx^2/(x^2-1)
3∫du/(1-u^2)-∫d(1-u^2)/(1-u^2)=2∫d(x^2-1)/(x^2-1)
ln[(1 u)/(1-u)]^(3/2)-ln|1-u^2|=ln(x^2-1)^2 c1
[(1 u)/(1-u)]^(3/2)/(1-u^2)=c2(x^2-1)^2.
(1 u)^(1/2)*(1-u)^(-5/2)=c2(x^2-1)^2.
第五步,回代换元变量,得方程通解
(1 u)^(1/2)=c2(x^2-1)^2*(1-u)^(5/2).
[(x^2 y^2)/(x^2-1)]^(1/2)=c2(x^2-1)^2*[(x^2-y^2-2)/(x^2-1)]^(5/2)
[(x^2 y^2)/(x^2-1)]^(1/2)=c2(x^2-1)^(-1/2)*(x^2-y^2-2)^(5/2)
即:本题微分方程的通解为:
(x^2 y^2)=C(x^2-y^2-2)^5。
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