Cálculo Ejemplos

$\frac{d y}{d x} = \frac{2 y}{x} - x^{2} y^{2}$

Paso 1

Reescribe la ecuación diferencial para que se ajuste a la técnica de Bernoulli.

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Paso 1.1

Resta $\frac{2 y}{x}$ de ambos lados de la ecuación.

$\frac{d y}{d x} - \frac{2 y}{x} = - x^{2} y^{2}$

Paso 1.2

Factoriza $y$ de $- \frac{2 y}{x}$ .

$\frac{d y}{d x} + y (- \frac{2}{x}) = - x^{2} y^{2}$

Paso 1.3

Reordena $y$ y $- \frac{2}{x}$ .

$\frac{d y}{d x} - \frac{2}{x} y = - x^{2} y^{2}$

Paso 2

Para resolver la ecuación diferencial, sea $v = y^{1 - n}$ donde $n$ es el exponente de $y^{2}$ .

$v = y^{- 1}$

Paso 3

Resuelve la ecuación en $y$ .

$y = v^{- 1}$

Paso 4

Calcula la derivada de $y$ con respecto a $x$ .

$y' = v^{- 1}$

Paso 5

Calcula la derivada de $v^{- 1}$ con respecto a $x$ .

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Paso 5.1

Calcula la derivada de $v^{- 1}$ .

$y' = \frac{d}{d x} [v^{- 1}]$

Paso 5.2

Reescribe la expresión mediante la regla del exponente negativo $b^{- n} = \frac{1}{b^{n}}$ .

$y' = \frac{d}{d x} [\frac{1}{v}]$

Paso 5.3

Diferencia con la regla del cociente, que establece que $\frac{d}{d x} [\frac{f (x)}{g (x)}]$ es $\frac{g (x) \frac{d}{d x} [f (x)] - f (x) \frac{d}{d x} [g (x)]}{{g (x)}^{2}}$ donde $f (x) = 1$ y $g (x) = v$ .

$y' = \frac{v \frac{d}{d x} [1] - 1 \cdot 1 \frac{d}{d x} [v]}{v^{2}}$

Paso 5.4

Diferencia con la regla de la constante.

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Paso 5.4.1

Multiplica $- 1$ por $1$ .

$y' = \frac{v \frac{d}{d x} [1] - \frac{d}{d x} [v]}{v^{2}}$

Paso 5.4.2

Como $1$ es constante con respecto a $x$ , la derivada de $1$ con respecto a $x$ es $0$ .

$y' = \frac{v \cdot 0 - \frac{d}{d x} [v]}{v^{2}}$

Paso 5.4.3

Simplifica la expresión.

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Paso 5.4.3.1

Multiplica $v$ por $0$ .

$y' = \frac{0 - \frac{d}{d x} [v]}{v^{2}}$

Paso 5.4.3.2

Resta $\frac{d}{d x} [v]$ de $0$ .

$y' = \frac{- \frac{d}{d x} [v]}{v^{2}}$

Paso 5.4.3.3

Mueve el negativo al frente de la fracción.

$y' = - \frac{\frac{d}{d x} [v]}{v^{2}}$

Paso 5.5

Reescribe $\frac{d}{d x} [v]$ como $v'$ .

$y' = - \frac{v'}{v^{2}}$

Paso 6

Sustituye $- \frac{v'}{v^{2}}$ por $\frac{d y}{d x}$ y $v^{- 1}$ por $y$ en la ecuación original $\frac{d y}{d x} - \frac{2}{x} y = - x^{2} y^{2}$ .

$- \frac{v'}{v^{2}} - \frac{2}{x} v^{- 1} = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2}$

Paso 7

Resuelve la ecuación diferencial sustituida.

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Paso 7.1

Reescribe la ecuación diferencial como $\frac{d v}{d x} + M (x) v = Q (x)$ .

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Paso 7.1.1

Multiplica cada término en $- \frac{\frac{d v}{d x}}{v^{2}} - \frac{2}{x} v^{- 1} = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2}$ por $- v^{2}$ para eliminar las fracciones.

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Paso 7.1.1.1

Multiplica cada término en $- \frac{\frac{d v}{d x}}{v^{2}} - \frac{2}{x} v^{- 1} = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2}$ por $- v^{2}$ .

$- \frac{\frac{d v}{d x}}{v^{2}} (- v^{2}) - \frac{2}{x} v^{- 1} (- v^{2}) = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.2

Simplifica el lado izquierdo.

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Paso 7.1.1.2.1

Simplifica cada término.

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Paso 7.1.1.2.1.1

Cancela el factor común de $v^{2}$ .

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Paso 7.1.1.2.1.1.1

Mueve el signo menos inicial en $- \frac{\frac{d v}{d x}}{v^{2}}$ al numerador.

$\frac{- \frac{d v}{d x}}{v^{2}} (- v^{2}) - \frac{2}{x} v^{- 1} (- v^{2}) = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.2.1.1.2

Factoriza $v^{2}$ de $- v^{2}$ .

$\frac{- \frac{d v}{d x}}{v^{2}} (v^{2} \cdot - 1) - \frac{2}{x} v^{- 1} (- v^{2}) = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.2.1.1.3

Cancela el factor común.

$\frac{- \frac{d v}{d x}}{v^{2}} (v^{2} \cdot - 1) - \frac{2}{x} v^{- 1} (- v^{2}) = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.2.1.1.4

Reescribe la expresión.

$- \frac{d v}{d x} \cdot - 1 - \frac{2}{x} v^{- 1} (- v^{2}) = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.2.1.2

Multiplica $- 1$ por $- 1$ .

$1 \frac{d v}{d x} - \frac{2}{x} v^{- 1} (- v^{2}) = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.2.1.3

Multiplica $\frac{d v}{d x}$ por $1$ .

$\frac{d v}{d x} - \frac{2}{x} v^{- 1} (- v^{2}) = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.2.1.4

Multiplica $v^{- 1}$ por $v^{2}$ sumando los exponentes.

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Paso 7.1.1.2.1.4.1

Mueve $v^{2}$ .

$\frac{d v}{d x} - \frac{2}{x} (v^{2} v^{- 1}) \cdot - 1 = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.2.1.4.2

Usa la regla de la potencia $a^{m} a^{n} = a^{m + n}$ para combinar exponentes.

$\frac{d v}{d x} - \frac{2}{x} v^{2 - 1} \cdot - 1 = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.2.1.4.3

Resta $1$ de $2$ .

$\frac{d v}{d x} - \frac{2}{x} v^{1} \cdot - 1 = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.2.1.5

Simplifica $- \frac{2}{x} v^{1} \cdot - 1$ .

$\frac{d v}{d x} - \frac{2}{x} v \cdot - 1 = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.2.1.6

Combina $v$ y $\frac{2}{x}$ .

$\frac{d v}{d x} - \frac{v \cdot 2}{x} \cdot - 1 = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.2.1.7

Mueve $2$ a la izquierda de $v$ .

$\frac{d v}{d x} - \frac{2 \cdot v}{x} \cdot - 1 = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.2.1.8

Multiplica $- \frac{2 v}{x} \cdot - 1$ .

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Paso 7.1.1.2.1.8.1

Multiplica $- 1$ por $- 1$ .

$\frac{d v}{d x} + 1 \frac{2 v}{x} = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.2.1.8.2

Multiplica $\frac{2 v}{x}$ por $1$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.3

Simplifica el lado derecho.

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Paso 7.1.1.3.1

Multiplica los exponentes en ${(v^{- 1})}^{2}$ .

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Paso 7.1.1.3.1.1

Aplica la regla de la potencia y multiplica los exponentes, ${(a^{m})}^{n} = a^{m n}$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = - x^{2} v^{- 1 \cdot 2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.3.1.2

Multiplica $- 1$ por $2$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = - x^{2} v^{- 2} (- v^{2})$

Paso 7.1.1.3.2

Multiplica $v^{- 2}$ por $v^{2}$ sumando los exponentes.

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Paso 7.1.1.3.2.1

Mueve $v^{2}$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = - x^{2} (v^{2} v^{- 2}) \cdot - 1$

Paso 7.1.1.3.2.2

Usa la regla de la potencia $a^{m} a^{n} = a^{m + n}$ para combinar exponentes.

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = - x^{2} v^{2 - 2} \cdot - 1$

Paso 7.1.1.3.2.3

Resta $2$ de $2$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = - x^{2} v^{0} \cdot - 1$

Paso 7.1.1.3.3

Simplifica $- x^{2} v^{0} \cdot - 1$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = - x^{2} \cdot - 1$

Paso 7.1.1.3.4

Multiplica $- x^{2} \cdot - 1$ .

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Paso 7.1.1.3.4.1

Multiplica $- 1$ por $- 1$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = 1 x^{2}$

Paso 7.1.1.3.4.2

Multiplica $x^{2}$ por $1$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2 v}{x} = x^{2}$

Paso 7.1.2

Factoriza $v$ de $\frac{2 v}{x}$ .

$\frac{d v}{d x} + v \frac{2}{x} = x^{2}$

Paso 7.1.3

Reordena $v$ y $\frac{2}{x}$ .

$\frac{d v}{d x} + \frac{2}{x} v = x^{2}$

Paso 7.2

El factor integrador se define mediante la fórmula $e^{\int P (x) d x}$ , donde $P (x) = \frac{2}{x}$ .

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Paso 7.2.1

Establece la integración.

$e^{\int \frac{2}{x} d x}$

Paso 7.2.2

Integra $\frac{2}{x}$ .

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Paso 7.2.2.1

Dado que $2$ es constante con respecto a $x$ , mueve $2$ fuera de la integral.

$e^{2 \int \frac{1}{x} d x}$

Paso 7.2.2.2

La integral de $\frac{1}{x}$ con respecto a $x$ es $\ln (| x |)$ .

$e^{2 (\ln (| x |) + C)}$

Paso 7.2.2.3

Simplifica.

$e^{2 \ln (| x |) + C}$

Paso 7.2.3

Elimina la constante de integración.

$e^{2 \ln (x)}$

Paso 7.2.4

Usa la regla de la potencia del logaritmo.

$e^{\ln (x^{2})}$

Paso 7.2.5

Potencia y logaritmo son funciones inversas.

$x^{2}$

Paso 7.3

Multiplica cada término por el factor integrador $x^{2}$ .

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Paso 7.3.1

Multiplica cada término por $x^{2}$ .

$x^{2} \frac{d v}{d x} + x^{2} (\frac{2}{x} v) = x^{2} x^{2}$

Paso 7.3.2

Simplifica cada término.

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Paso 7.3.2.1

Combina $\frac{2}{x}$ y $v$ .

$x^{2} \frac{d v}{d x} + x^{2} \frac{2 v}{x} = x^{2} x^{2}$

Paso 7.3.2.2

Cancela el factor común de $x$ .

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Paso 7.3.2.2.1

Factoriza $x$ de $x^{2}$ .

$x^{2} \frac{d v}{d x} + x \cdot x \frac{2 v}{x} = x^{2} x^{2}$

Paso 7.3.2.2.2

Cancela el factor común.

$x^{2} \frac{d v}{d x} + x \cdot x \frac{2 v}{x} = x^{2} x^{2}$

Paso 7.3.2.2.3

Reescribe la expresión.

$x^{2} \frac{d v}{d x} + x (2 v) = x^{2} x^{2}$

Paso 7.3.2.3

Reescribe con la propiedad conmutativa de la multiplicación.

$x^{2} \frac{d v}{d x} + 2 x v = x^{2} x^{2}$

Paso 7.3.3

Multiplica $x^{2}$ por $x^{2}$ sumando los exponentes.

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Paso 7.3.3.1

Usa la regla de la potencia $a^{m} a^{n} = a^{m + n}$ para combinar exponentes.

$x^{2} \frac{d v}{d x} + 2 x v = x^{2 + 2}$

Paso 7.3.3.2

Suma $2$ y $2$ .

$x^{2} \frac{d v}{d x} + 2 x v = x^{4}$

Paso 7.4

Reescribe el lado izquierdo como resultado de la diferenciación de un producto.

$\frac{d}{d x} [x^{2} v] = x^{4}$

Paso 7.5

Establece una integral en cada lado.

$\int \frac{d}{d x} [x^{2} v] d x = \int x^{4} d x$

Paso 7.6

Integra el lado izquierdo.

$x^{2} v = \int x^{4} d x$

Paso 7.7

Según la regla de la potencia, la integral de $x^{4}$ con respecto a $x$ es $\frac{1}{5} x^{5}$ .

$x^{2} v = \frac{1}{5} x^{5} + C$

Paso 7.8

Divide cada término en $x^{2} v = \frac{1}{5} x^{5} + C$ por $x^{2}$ y simplifica.

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Paso 7.8.1

Divide cada término en $x^{2} v = \frac{1}{5} x^{5} + C$ por $x^{2}$ .

$\frac{x^{2} v}{x^{2}} = \frac{\frac{1}{5} x^{5}}{x^{2}} + \frac{C}{x^{2}}$

Paso 7.8.2

Simplifica el lado izquierdo.

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Paso 7.8.2.1

Cancela el factor común de $x^{2}$ .

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Paso 7.8.2.1.1

Cancela el factor común.

$\frac{x^{2} v}{x^{2}} = \frac{\frac{1}{5} x^{5}}{x^{2}} + \frac{C}{x^{2}}$

Paso 7.8.2.1.2

Divide $v$ por $1$ .

$v = \frac{\frac{1}{5} x^{5}}{x^{2}} + \frac{C}{x^{2}}$

Paso 7.8.3

Simplifica el lado derecho.

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Paso 7.8.3.1

Simplifica cada término.

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Paso 7.8.3.1.1

Cancela el factor común de $x^{5}$ y $x^{2}$ .

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Paso 7.8.3.1.1.1

Factoriza $x^{2}$ de $\frac{1}{5} x^{5}$ .

$v = \frac{x^{2} (\frac{1}{5} x^{3})}{x^{2}} + \frac{C}{x^{2}}$

Paso 7.8.3.1.1.2

Cancela los factores comunes.

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Paso 7.8.3.1.1.2.1

Multiplica por $1$ .

$v = \frac{x^{2} (\frac{1}{5} x^{3})}{x^{2} \cdot 1} + \frac{C}{x^{2}}$

Paso 7.8.3.1.1.2.2

Cancela el factor común.

$v = \frac{x^{2} (\frac{1}{5} x^{3})}{x^{2} \cdot 1} + \frac{C}{x^{2}}$

Paso 7.8.3.1.1.2.3

Reescribe la expresión.

$v = \frac{\frac{1}{5} x^{3}}{1} + \frac{C}{x^{2}}$

Paso 7.8.3.1.1.2.4

Divide $\frac{1}{5} x^{3}$ por $1$ .

$v = \frac{1}{5} x^{3} + \frac{C}{x^{2}}$

Paso 7.8.3.1.2

Combina $\frac{1}{5}$ y $x^{3}$ .

$v = \frac{x^{3}}{5} + \frac{C}{x^{2}}$

Paso 8

Sustituye $y^{- 1}$ por $v$ .

$y^{- 1} = \frac{x^{3}}{5} + \frac{C}{x^{2}}$