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-y⇒α'(y)=-y ⇒α(y)=- y 2 2 +cte

    Integral general

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

  5. (x+ycosx)dx+senx dy=0

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

    F(x,y)= ∫ senx dy= y senx+α(x) ∂ F ∂ x =ycosx+α'(x)=P(x,y)=x+ycosx ⇒α'(x)=x⇒α (x)= x 2 2 +cte

    Integral general

     y senx+ 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)=seny⇒α (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 =-x y ( x 2 + y 2 ) - 3 2 - 1 y 2 Q x =y ( -1 2 ) ( x 2 + y 2 ) - 3 2 2x- 1 y 2 =-y x ( 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

    ln μ=-2lnx⇒μ= 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

     ln μ=lny⇒μ=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' y  Q+μ  Q x  ⇒μ'(x P-y Q)=μ( Q x - P y ) μ' μ = ( Q x - P y ) x P-y Q ⇒ ( Q x - P y ) x P-y Q

    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 ) x P-y Q = -4xy (xy+ x 2 y 2 )-(xy- x 2 y 2 ) = -2 xy ⇒lnμ= ∫ -2 t dt=-2lnt⇒μ= 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=2 μ '·x μ y = dμ dt   ∂ t ∂ y = dμ dt ·2y=2 μ '·y

    Sustituyendo en (*)

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

    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 dt⇒lnμ=-lnt⇒μ= 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+2xy dy=0

  4. ( sen 2x 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 tg y- 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. ( x y 1+ x 2 +2xy- y x ) dx+( 1+ x 2 + x 2 -lnx ) dy=0

  9. (x+ y 2 ) dx-2xy dy=0

  10. 2xy dx+(y+ y 2 - x 2 )dy=0

  11. y x  dx+( y 3 -ln x) 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 cosx dy=0

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

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

  22. x  dx+y  dy+x (x  dy-y  dx)=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. y  dx+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-x dy=0, μ=μ ( x y 2 )