Ecuaciones-Diferenciales-Exactas

EJERCICIOS RESUELTOS DE ECUACIONES DIFERENCIAlES EXACTAS En los problemas 1 a 24 determine si la ecuación dada es exacta

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EJERCICIOS RESUELTOS DE ECUACIONES DIFERENCIAlES EXACTAS En los problemas 1 a 24 determine si la ecuación dada es exacta. Si lo es, resuélvala.

l. (2x -1)dx + (3y + 7)dy = O Solución:

(2x -1)dx + (3y + 7)dy =O (1) En este caso se tiene

M(x,y) con

=

2x -1 y N(x,y)

=

3y + 7

aM = a(2x-1) =O Y aN = a(3y+7) =O ay ay ax ax

esto es

aN (2) ax De (2) se concluye que la ecuación (1) es exacta. Por!o que existe una función j(x,y) para la que aM

ay

=

a¡ = 2x -1 y a¡ = 3y + 7 (3) ax ay Integrando la primera ecuación en (3) respecto a x (manteniendo a y constante), se obtiene: j(x,y)

=

x

2

-

x+ g(y) (4),

::::}

a¡ = g'(y) (5) ay Igualamos a (5) con N(x,y) = 3y + 7 g'(y) = 3y + 7, 3 + 7y (6), g(y) = 2y2 ((6)en(4)} Por lo tanto, la solución general de la ED (1) es: 2 3 2 x -x+ y +7y=c.

2

2. (2x +y)dx- (x + 6y)dy =O Solución:

(2x +y)dx- (x + 6y)dy =O (1) En este caso se tiene

M(x,y) co n

así

=

2x +y y N(x,y)

aM =a(2x+y)= aN 1 ay ay y ax aM" aN ay ax

=

-(x + 6y)

a(-x-6y) = ax

=

_

-x -6y 1

(2)

De (2) se concluye que la ecuación (1) no es exacta.

3. (5x+4y)dx+(4x-8y 3)dy =O Solución:

(5x +4y)dx + (4x-8y3)dy =O (1) En este caso se tiene 3

M(x,y)=5x+4y y

N(x,y)=4x-8y

aM

Y aN = a(4x-8y

con

ay

=

a(5x+4y)

ay

=

3

4

ax

ax

) =

4

esto es

aN (2) ax De (2) se concluye que la ecuación (1) es exacta. Por lo que existe una función j(x,y) para la que aM

ay

=

a¡ =5x+4y y a¡ =4x-8y3 (3) ax ay Integrando la primera ecuación en (3) respecto a x (manteniendo a y constante), se obtiene: 5 f(x,y) = x2 + g(y) (4),

2

::::}

a¡ = g'(y) ay

(5)

Igualamos a (5) con N(x,y) g'(y)

::::}

=

=

4x -8y3 ,

g(y) =4xy-2y' (6), f(x,y) = 5 x 2 +4xy2y•

4x- 8y3 :

((6)en(4)}

2

Por lo tanto, la solución general de la ED (1) es:

%x2 +4xy-2y' =c.

En los problemas 25 - 30 resuelva la ecuación diferencial dada sujeta a la condición inicial que se indica: 2 dx + (2xy + x 2 -!)dy =O; y(!)= 1

25 . (x + y)

Solución: (x+y) 2 dx+ (2xy+x2 -!)dy= O y(!)

=

(1)

1 (2)

La ecuación ( 1) es de la forma M(x,y)dx + N(x,y)dy =O; con: M(x,y) = (x +y/ y N(x,y) = 2xy + x 2 -1 por lo que

aM ay

=

2(x +y)

=

2x + 2y

Y

aN = 2y+2x

ax

esto es

aM aN ( ) ay = ax 2 De (2) se concluye que la ecuación ( 1) es exacta; por!o que existe una función j(x,y) para la que = 2xy + x 2 -1 (3) = (x + y) 2 = x 2 + 2xy + y

ay

ax 2

y

Integrando la primera ecuación en (3) respecto a x (manteniendo a y constante), se obtiene: j(x,y)

=

x3 + x 2y + xy 2 + g(y) (4),

2

::::}

=

x + 2xy + g'(y) (5)

ay Igualamos a (5) con N(x,y) = 2xy + x 2 -1: x 2 + 2xy+ g'(y) ::::}

g(y) =-y

=

2xy+x 2 -1{::} g'(y)

=

-1,

(6), ((6) en (4))

Por lo tanto, la solución general de la ED ( 1) es: x3 + x2y + xy2- y= e (7) 3 Ahora, sustiuyendo (2) en (7), se obtiene:

(li + (1) 2 (1) + (1)(1) 2 -1= e {::}

+ 1+ 1-1=e {::}e = .i (8) 3 3 3 Por último, al sustituir (8) en (7) se encuentra la solución particular que contiene al par ordenado (1, 1): 3

2

x + x y + xy

2 -y=%{::} x 3 + 3x 2y + 3xy 2 - 3y = 4.

26 . (e' +y)dx + (2 + x +ye 1)dy =O; y(O) = 1 Solución:

(e'+y)dx + (2 + x +ye 1)dy =O ( 1) y(O) = 1 (2) La ecuación (1) es de la forma M(x,y)dx + N(x,y)dy =O; con: M(x,y)=e'+y y N(x,y)=2+x+ye

1

por lo que

aM aN aM aN é!Y = 1 y ax = 1 esto es é!Y = ax

(2)

De (2) se concluye que la ecuación ( 1) es exacta; por!o que existe una función j(x,y) para la que

a¡ =e'+y y ax

a¡ =2+x+ye1 (3) é!Y

Integrando la primera ecuación en (3) respecto a x (manteniendo a y constante), se obtiene:

j(x,y) =e'+ xy + g(y)

(4),

a¡= x + g'(y) (5) ay Igualamos a (5) con N(x,y)

=

2 + x + ye' :

x + g'(y) = 2 + x +ye' {::} g'(y) = 2 + ye', ::::}

g(y)

=

2y +ye' -e'

(6),

::::} j(x,y) =e'+ xy + 2y + ye' -e'

((6) en

(4)} Por lo tanto, la solución general de la ED (1) es:

e' + xy + 2y + ye 1 -e'

=

e (7)

Ahora, sustiuyendo (2) en (7), se obtiene:

e0 + (0)(1) + 2(1) + le1 -e 1 =e {::}e= 2 (8) Por último, al sustituir (8) en (7) se encuentra la solución particular que contiene al par ordenado (0, 1): e r + xy + 2y + ye' -e' = 2.

27. (4y+2x-5)dx+(6y+4x-1)dy=O; y(-1) =2

Solución:

(4y+2x-5)dx+(6y+4x-1)dy=O (1) y(-1) = 2 (2) La ecuación (1) es de la forma M(x,y)dx + N(x,y)dy =O; con: M(x,y)=4y+2x-5 y N(x,y)=6y+4x-1 por lo que aM

es aM aN y aN -= -=e (2)4 · sto ay ax ax ' De (2) se concluye que la ecuación ( 1) es exacta; por!o que existe una función j(x,y) para la que

a¡ =4y+2x-5 y a¡ =6y+4x-1 (3) ax ay Integrando la primera ecuación en (3) respecto a x (manteniendo a y constante), se obtiene: j(x,y)

=

4xy + x

2

-

5x + g(y)

(4),

::::}

a¡ = 4x + g'(y) (5) ay Igualamos a (5) con N(x,y) = 6y + 4x -1 4x + g'(y) = 6y + 4x -1{::} g'(y) = 6y -1, ::::}

g(y)

=

3y 2 -y (6),

::::} f(x,y) = 4xy + x 2 -5x + 3y 2 -y ((6)en(4)} Por lo tanto, la solución general de laED ( 1) es: 4xy+x 2 -5x+3y 2 -y=e

(7)

Ahora, sustiuyendo (2) en (7), se obtiene:

4(-1)(2) + (-1) 2 -5(-1) + 3(2i - 2 = e {::}e = 8 (8) Por último, al sustituir (8) en (7) se encuentra la solución particular que contiene al par ordenado ( -1, 2): 4xy + x

2

-

5x + 3y 2 -y= 8.

EJERCICIOS RESUELTOS DE ECUACIONES DIFERENCIALES EXACTAS En los problemas 1 a 24 determine si la ecuaciÛn dada es exacta. Si lo es, resuÈlvala.

En los problemas 25 - 30 resuelva la ecuación diferencial dada sujeta a la condición inicial que se indica: 2 dx + (2xy + x 2 -!)dy =O; y(!)= 1

25 . (x + y)

Solución: (x+y) 2 dx+ (2xy+x2 -!)dy= O y(!)

=

(1)

1 (2)

La ecuación ( 1) es de la forma M(x,y)dx + N(x,y)dy =O; con: M(x,y) = (x +y/ y N(x,y) = 2xy + x 2 -1 por lo que

aM ay

=

2(x +y)

=

2x + 2y

Y

aN = 2y+2x

ax

esto es

aM aN ( ) ay = ax 2 De (2) se concluye que la ecuación ( 1) es exacta; por!o que existe una función j(x,y) para la que = 2xy + x 2 -1 (3) = (x + y) 2 = x 2 + 2xy + y

ay

ax 2

y

Integrando la primera ecuación en (3) respecto a x (manteniendo a y constante), se obtiene: j(x,y)

=

x3 + x 2y + xy 2 + g(y) (4),

2

::::}

=

x + 2xy + g'(y) (5)

ay Igualamos a (5) con N(x,y) = 2xy + x 2 -1: x 2 + 2xy+ g'(y) ::::}

g(y) =-y

=

2xy+x 2 -1{::} g'(y)

=

-1,

(6), ((6) en (4))

Por lo tanto, la solución general de la ED ( 1) es: x3 + x2y + xy2- y= e (7) 3 Ahora, sustiuyendo (2) en (7), se obtiene:

(li + (1) 2 (1) + (1)(1) 2 -1= e {::}

+ 1+ 1-1=e {::}e = .i (8) 3 3 3 Por último, al sustituir (8) en (7) se encuentra la solución particular que contiene al par ordenado (1, 1): 3

2

x + x y + xy

2 -y=%{::} x 3 + 3x 2y + 3xy 2 - 3y = 4.

26 . (e' +y)dx + (2 + x +ye 1)dy =O; y(O) = 1 Solución:

(e'+y)dx + (2 + x +ye 1)dy =O ( 1) y(O) = 1 (2) La ecuación (1) es de la forma M(x,y)dx + N(x,y)dy =O; con: M(x,y)=e'+y y N(x,y)=2+x+ye

1

por lo que

aM aN aM aN é!Y = 1 y ax = 1 esto es é!Y = ax

(2)

De (2) se concluye que la ecuación ( 1) es exacta; por!o que existe una función j(x,y) para la que

a¡ =e'+y y ax

a¡ =2+x+ye1 (3) é!Y

Integrando la primera ecuación en (3) respecto a x (manteniendo a y constante), se obtiene:

j(x,y) =e'+ xy + g(y)

(4),

a¡= x + g'(y) (5) ay Igualamos a (5) con N(x,y)

=

2 + x + ye' :

x + g'(y) = 2 + x +ye' {::} g'(y) = 2 + ye', ::::}

g(y)

=

2y +ye' -e'

(6),

::::} j(x,y) =e'+ xy + 2y + ye' -e'

((6) en

(4)} Por lo tanto, la solución general de la ED (1) es:

e' + xy + 2y + ye 1 -e'

=

e (7)

Ahora, sustiuyendo (2) en (7), se obtiene:

e0 + (0)(1) + 2(1) + le1 -e 1 =e {::}e= 2 (8) Por último, al sustituir (8) en (7) se encuentra la solución particular que contiene al par ordenado (0, 1): e r + xy + 2y + ye' -e' = 2.

27. (4y+2x-5)dx+(6y+4x-1)dy=O; y(-1) =2

Solución:

(4y+2x-5)dx+(6y+4x-1)dy=O (1) y(-1) = 2 (2) La ecuación (1) es de la forma M(x,y)dx + N(x,y)dy =O; con: M(x,y)=4y+2x-5 y N(x,y)=6y+4x-1 por lo que aM

es aM aN y aN -= -=e (2)4 · sto ay ax ax ' De (2) se concluye que la ecuación ( 1) es exacta; por!o que existe una función j(x,y) para la que

a¡ =4y+2x-5 y a¡ =6y+4x-1 (3) ax ay Integrando la primera ecuación en (3) respecto a x (manteniendo a y constante), se obtiene: j(x,y)

=

4xy + x

2

-

5x + g(y)

(4),

::::}

a¡ = 4x + g'(y) (5) ay Igualamos a (5) con N(x,y) = 6y + 4x -1 4x + g'(y) = 6y + 4x -1{::} g'(y) = 6y -1, ::::}

g(y)

=

3y 2 -y (6),

::::} f(x,y) = 4xy + x 2 -5x + 3y 2 -y ((6)en(4)} Por lo tanto, la solución general de laED ( 1) es: 4xy+x 2 -5x+3y 2 -y=e

(7)

Ahora, sustiuyendo (2) en (7), se obtiene:

4(-1)(2) + (-1) 2 -5(-1) + 3(2i - 2 = e {::}e = 8 (8) Por último, al sustituir (8) en (7) se encuentra la solución particular que contiene al par ordenado ( -1, 2): 4xy + x

2

-

5x + 3y 2 -y= 8.