Ecuaciones diferenciales exactas

Definición: Sean P(x, y) y Q(x, y) funciones reales continuas en un dominio D. Se dice que la ecuación

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

Es diferencial exacta si existe una función real F(x, y) tal que en el dominio D cumple:

F x =P(x,y) F y =Q(x,y)

La función F(x, y) es una primitiva de la ecuación y la integral general es:

F(x, y)=cte

Teorema.- La condición necesaria y suficiente para que la ecuación P·dx+Q·dy=0 sea diferencial exacta en un dominio D, siendo P(x, y), Q(x, y) y sus derivadas parciales continuas en D es que se cumpla:

P y = Q x

Ejemplos:

  1. e x ( y 3 +x y 3 +1)dx+3 y 2 (x e x -6)dy=0

  2. P y = e x (3 y 2 +3 y 2 x)= e x 3 y 2 (1+x) Q x =3 y 2 ( e x +x e x )= e x 3 y 2 (1+x)

    D=R2

    Resolución.- Por lo anterior se sabe que:

    F x =P(x,y)= e x ( y 3 +x y 3 +1)F(x,y)= e x ( y 3 +x y 3 +1)dx = = e x ( y 3 +x y 3 +1)- e x y 3 dx= e x ( y 3 +x y 3 +1)- e x y 3 = e x (x y 3 +1)+α(y) F y =3x y 2 e x +α'(y)

    deberá coincidir con

    Q(x,y)=3 y 2 (x e x -6)dy α'(y)=-18 y 2 α(y)=-6 y 3 +cte

    Por tanto,

    F(x,y)= e x (x y 3 +1)-6 y 3 +cte

    La integral general

    e x (x y 3 +1)-6 y 3 =K

  3. (2xy+ y 2 )dx+( x 2 +2xy-y)dy=0

  4. P y =2x+2y Q x =2x+2y

    Diferencial exacta

    F(x,y)= (2xy+ y 2 )dx= x 2 y+ y 2 x+α(y) F y = x 2 +2xy+α'(y)=Q(x,y)= x 2 +2xy-yα'(y)=-y α(y)=- y 2 2 +cte

    Integral general

    x 2 y+ y 2 x- y 2 2 =K

  5. (x+ycosx)dx+senxdy=0

  6. Py=cosx, Qx=cosx. Diferencial exacta

    F(x,y)= senxdy= ysenx+α(x) F x =ycosx+α'(x)=P(x,y)=x+ycosx α'(x)=xα(x)= x 2 2 +cte

    Integral general

    ysenx+ x 2 2 =K

  7. (2x e y + e x )dx+( x 2 +1) e y dy=0

  8. Py=2xey, Qx==2xey. Diferencial exacta

    F(x,y)= (2x e y + e x )dx= x 2 e y + e x +α(y) F y = x 2 e y +α'(y)=Q(x,y)=( x 2 +1) e y α'(y)= e y α(y)= e y +cte

    Integral general

    x 2 e y + e x + e y =( x 2 +1) e y + e x =K

  9. ( e x +lny+ y x )dx+( x y +lnx+seny )dy=0

  10. P y = 1 y + 1 x , Q x = 1 y + 1 x

    Diferencial exacta

    F(x,y)= ( e x +lny+ y x )dx= e x +xlny+ylnx+α(y) F y = x y +lnx+α'(y)=Q(x,y)= x y +lnx+seny α'(y)=senyα(y)=-cosy+cte

    Integral general

    e x +xlny+ylnx-cosy=K

  11. ( x x 2 + y 2 + 1 x + 1 y )dx+( y x 2 + y 2 + 1 y - x y 2 )dy=0

  12. P y =x( -1 2 ) ( x 2 + y 2 ) - 3 2 2y- 1 y 2 =-xy ( x 2 + y 2 ) - 3 2 - 1 y 2 Q x =y( -1 2 ) ( x 2 + y 2 ) - 3 2 2x- 1 y 2 =-yx ( x 2 + y 2 ) - 3 2 - 1 y 2

    Diferencial exacta

Factores integrantes

Definición.- Dada la ecuación P(x, y)dx+Q(x, y)dy=0, se dice que es un factor integrante en un dominio D, siendo P(x, y), Q(x, y) y sus derivadas parciales continuas en D, si multiplicado por la ecuación la convierte en diferencial exacta. Es decir si la ecuación

μ(x, y)P(x, y)dx+μ(x, y)Q(x, y)dy=0

es exacta. Por lo tanto deberá de cumplir:

( μP ) y = ( μQ ) x μ y P+μ P y = μ x Q+μ Q x , (*)

  1. El factor integrante es solo función de x

  2. μ=μ(x){ μ y =0 μ x = dμ dx =μ'

    Sustituyendo en (*)

    μ( P y - Q x )=μ'Q μ' μ = P y - Q x Q

    Para poder integrar y obtener así el factor integrante:

    P y - Q x Q

    debe ser solo función de x

    Ejemplo: (1-x2y)dx+x2(y-x)dy=0

    P y =- x 2 , Q x =2xy-3 x 2

    No es exacta

    P y - Q x Q = 2 x 2 -2xy x 2 (y-x) = 2x(x-y) x 2 (y-x) =- 2 x

    Admite factor integrante. Integrando

    lnμ=-2lnxμ= 1 x 2

    La ecuación

    1 x 2 (1- x 2 y)dx+ 1 x 2 x 2 (y-x)dy=0=( 1 x 2 -y )dx+(y-x)dy

    Exacta. Solución

    - 1 x -yx+ y 2 2 =K

  3. El factor integrante es solo función de y

  4. μ=μ(y){ μ x =0 μ y = dμ dy =μ'

    Sustituyendo en (*)

    μ( Q x - P y )=μ'P μ' μ = Q x - P y P

    Para poder integrar y obtener así el factor integrante Q x - P y P , debe ser solo función de y

    Ejemplo. x2y2dx+(x3y+y+3)dy=0

    Py=2yx2, Qx=3yx2. No es exacta

    Q x - P y P = 3 x 2 y-2y x 2 x 2 y 2 = 1 y

    Integrando

    lnμ=lnyμ=y

  5. El factor integrante es solo función de x+y

  6. μ=μ(x+y), se hace x+y=t

    { μ x = dμ dt t x = dμ dt ·1=μ' μ y = dμ dt t y = dμ dt ·1=μ'

    Sustituyendo en (*)

    μ'P+μ P y =μ'Q+μ Q x μ'(P-Q)=μ( Q x - P y ) μ' μ = ( Q x - P y ) P-Q ( Q x - P y ) P-Q

    debe ser solo función de x+y

  7. El factor integrante es solo función de x-y

  8. μ=μ(x-y), se hace x-y=t

    { μ x = dμ dt t x = dμ dt ·1=μ' μ y = dμ dt t y = dμ dt ·(-1)=-μ'

    Sustituyendo en (*)

    -μ'P+μ P y =μ'Q+μ Q x μ( P y - Q x )=μ'(P+Q) μ' μ = ( P y - Q x ) P+Q ( P y - Q x ) P+Q

    debe ser solo función de x-y

  9. El factor integrante es solo función de x·y

  10. μ=μ(x·y), se hace x·y=t

    { μ x = dμ dt t x = dμ dt ·y=μ'·y μ y = dμ dt t y = dμ dt ·x=μ'·x

    Sustituyendo en (*)

    P+μ P y =μ'yQ+μ Q x μ'(xP-yQ)=μ( Q x - P y ) μ' μ = ( Q x - P y ) xP-yQ ( Q x - P y ) xP-yQ

    debe ser solo función de x·y

    Ejemplo: (y+xy2)dx+(x-yx2)dy=0

    P y =1+2xy, Q x =1-2xy ( Q x - P y ) xP-yQ = -4xy (xy+ x 2 y 2 )-(xy- x 2 y 2 ) = -2 xy lnμ= -2 t dt=-2lntμ= 1 (xy) 2

  11. El factor integrante es solo función de x2+y2

  12. μ=μ(x2+y2), se hace x2+y2=t

    { μ x = dμ dt t x = dμ dt ·2x=2μ'·x μ y = dμ dt t y = dμ dt ·2y=2μ'·y

    Sustituyendo en (*)

    2μ'yP+μ P y =2μ'xQ+μ Q x 2μ'(yP-xQ)=μ( Q x - P y ) μ' μ = ( Q x - P y ) 2(yP-xQ) ( Q x - P y ) 2(yP-xQ)

    debe ser solo función de x2+y2

    Ejemplo. (x3+xy2-y)dx+(y3+yx2+x)dy=0

    P= x 3 +x y 2 -y P y =2xy-1 Q= y 3 + x 2 y+x Q x =2xy+1 μ' μ = ( Q x - P y ) (2yP-2xQ) = 2 2(yP-xQ) = 1 ( x 3 y+x y 3 - y 2 )-(x y 3 - x 3 y+ x 2 ) = 1 -( x 2 + y 2 ) =- 1 t dμ μ =- 1 t dtlnμ=-lntμ= 1 t = 1 x 2 + y 2

Integrar las ecuaciones:

  1. ( x 3 +x y 2 )dx+( x 2 y+ y 3 )dy=0

  2. (2 x 3 +4y)dx+(4x+y+2)dy=0

  3. ( x 2 + y 2 +x)dx+2xydy=0

  4. ( sen2x y +x )dx+( y- sen 2 x y 2 )dy=0

  5. ( seny+ysenx+ 1 x )dx+( xcosy-cosx+ 1 y )dy=0

  6. ( 3 x 2 tgy- 2 y 3 x 3 )dx+( x 3 sec 2 y+4 y 3 + 3 y 2 x 2 )dy=0

  7. (3 x 2 -2x-y)dx+(2y-x+3 y 2 )dy=0

  8. ( xy 1+ x 2 +2xy- y x )dx+( 1+ x 2 + x 2 -lnx )dy=0

  9. (x+ y 2 )dx-2xydy=0

  10. 2xydx+(y+ y 2 - x 2 )dy=0

  11. y x dx+( y 3 -lnx)dy=0

  12. (2x y 2 -3 y 3 )dx+(7-3x y 2 )dy=0

  13. (3+ y 3 senx)dx+3 y 2 cosxdy=0

  14. ( x 3 y 2 - e 1 x )dx+ x 4 ydy=0

  15. (x y 2 + x 2 y 2 +3)dx+( x 2 y)dy=0

  16. (x+senx+seny)dx+cosydy=0

  17. (xcosy-yseny)dy+(xseny+ycosy)dx=0

  18. (2x y 4 e y +2x y 3 +y)dx+( x 2 y 4 e y - x 2 y 2 -3x)dy=0

  19. y 2 x 2 dx+( x 3 y+y+3)dy=0

  20. (3+ y 3 senx)dx+3 y 2 cosxdy=0

  21. y'=- (1+xtgx) y 2 2(xy+cosx)

  22. xdx+ydy+x(xdy-ydx)=0,μ=μ( x 2 + y 2 )

  23. (3 y 2 -x)dx+(2 y 3 -6xy)dy=0,μ=μ(x+ y 2 )

  24. (xy-2 y 2 )dx-( x 2 -3xy)dy=0,μ=μ(x· y 2 )

  25. ydx+x( x 2 y-1)dy=0,μ=μ( y x 3 )

  26. y( x 2 + y 2 +1)dx+x(1- x 2 - y 2 )dy=0,μ=μ(x·y)

  27. (2y-3x y 2 )dx-xdy=0,μ=μ( x y 2 )