Математический анализ Примеры

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

Этап 1

Перепишем дифференциальное уравнение в виде, подходящем для применения метода Бернулли.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 1.1

Вычтем $\frac{2 y}{x}$ из обеих частей уравнения.

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

Этап 1.2

Вынесем множитель $y$ из $- \frac{2 y}{x}$ .

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

Этап 1.3

Изменим порядок $y$ и $- \frac{2}{x}$ .

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

Этап 2

Чтобы решить дифференциальное уравнение, пусть $v = y^{1 - n}$ , где $n$ — показатель степени $y^{2}$ .

$v = y^{- 1}$

Этап 3

Решим уравнение относительно $y$ .

$y = v^{- 1}$

Этап 4

Возьмем производную $y$ по $x$ .

$y' = v^{- 1}$

Этап 5

Возьмем производную $v^{- 1}$ по $x$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 5.1

Возьмем производную от $v^{- 1}$ .

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

Этап 5.2

Перепишем выражение, используя правило отрицательных степеней $b^{- n} = \frac{1}{b^{n}}$ .

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

Этап 5.3

Продифференцируем, используя правило частного, которое гласит, что $\frac{d}{d x} [\frac{f (x)}{g (x)}]$ имеет вид $\frac{g (x) \frac{d}{d x} [f (x)] - f (x) \frac{d}{d x} [g (x)]}{{g (x)}^{2}}$ , где $f (x) = 1$ и $g (x) = v$ .

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

Этап 5.4

Продифференцируем, используя правило константы.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 5.4.1

Умножим $- 1$ на $1$ .

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

Этап 5.4.2

Поскольку $1$ является константой относительно $x$ , производная $1$ относительно $x$ равна $0$ .

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

Этап 5.4.3

Упростим выражение.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 5.4.3.1

Умножим $v$ на $0$ .

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

Этап 5.4.3.2

Вычтем $\frac{d}{d x} [v]$ из $0$ .

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

Этап 5.4.3.3

Вынесем знак минуса перед дробью.

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

Этап 5.5

Перепишем $\frac{d}{d x} [v]$ в виде $v'$ .

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

Этап 6

Подставим $- \frac{v'}{v^{2}}$ вместо $\frac{d y}{d x}$ и $v^{- 1}$ вместо $y$ в исходное уравнение $\frac{d y}{d x} - \frac{2}{x} y = - x^{2} y^{2}$ .

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

Этап 7

Решим подставленное дифференциальное уравнение.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.1

Перепишем дифференциальное уравнение в виде $\frac{d v}{d x} + M (x) v = Q (x)$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.1.1

Каждый член в $- \frac{\frac{d v}{d x}}{v^{2}} - \frac{2}{x} v^{- 1} = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2}$ умножим на $- v^{2}$ , чтобы убрать дроби.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.1.1.1

Умножим каждый член $- \frac{\frac{d v}{d x}}{v^{2}} - \frac{2}{x} v^{- 1} = - x^{2} {(v^{- 1})}^{2}$ на $- v^{2}$ .

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

Этап 7.1.1.2

Упростим левую часть.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.1.1.2.1

Упростим каждый член.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.1.1.2.1.1

Сократим общий множитель $v^{2}$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.1.1.2.1.1.1

Перенесем стоящий впереди знак минуса в $- \frac{\frac{d v}{d x}}{v^{2}}$ в числитель.

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

Этап 7.1.1.2.1.1.2

Вынесем множитель $v^{2}$ из $- v^{2}$ .

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

Этап 7.1.1.2.1.1.3

Сократим общий множитель.

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

Этап 7.1.1.2.1.1.4

Перепишем это выражение.

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

Этап 7.1.1.2.1.2

Умножим $- 1$ на $- 1$ .

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

Этап 7.1.1.2.1.3

Умножим $\frac{d v}{d x}$ на $1$ .

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

Этап 7.1.1.2.1.4

Умножим $v^{- 1}$ на $v^{2}$ , сложив экспоненты.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.1.1.2.1.4.1

Перенесем $v^{2}$ .

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

Этап 7.1.1.2.1.4.2

Применим правило степени $a^{m} a^{n} = a^{m + n}$ для объединения показателей.

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

Этап 7.1.1.2.1.4.3

Вычтем $1$ из $2$ .

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

Этап 7.1.1.2.1.5

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

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

Этап 7.1.1.2.1.6

Объединим $v$ и $\frac{2}{x}$ .

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

Этап 7.1.1.2.1.7

Перенесем $2$ влево от $v$ .

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

Этап 7.1.1.2.1.8

Умножим $- \frac{2 v}{x} \cdot - 1$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.1.1.2.1.8.1

Умножим $- 1$ на $- 1$ .

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

Этап 7.1.1.2.1.8.2

Умножим $\frac{2 v}{x}$ на $1$ .

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

Этап 7.1.1.3

Упростим правую часть.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.1.1.3.1

Перемножим экспоненты в ${(v^{- 1})}^{2}$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.1.1.3.1.1

Применим правило степени и перемножим показатели, ${(a^{m})}^{n} = a^{m n}$ .

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

Этап 7.1.1.3.1.2

Умножим $- 1$ на $2$ .

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

Этап 7.1.1.3.2

Умножим $v^{- 2}$ на $v^{2}$ , сложив экспоненты.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.1.1.3.2.1

Перенесем $v^{2}$ .

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

Этап 7.1.1.3.2.2

Применим правило степени $a^{m} a^{n} = a^{m + n}$ для объединения показателей.

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

Этап 7.1.1.3.2.3

Вычтем $2$ из $2$ .

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

Этап 7.1.1.3.3

Упростим $- x^{2} v^{0} \cdot - 1$ .

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

Этап 7.1.1.3.4

Умножим $- x^{2} \cdot - 1$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.1.1.3.4.1

Умножим $- 1$ на $- 1$ .

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

Этап 7.1.1.3.4.2

Умножим $x^{2}$ на $1$ .

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

Этап 7.1.2

Вынесем множитель $v$ из $\frac{2 v}{x}$ .

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

Этап 7.1.3

Изменим порядок $v$ и $\frac{2}{x}$ .

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

Этап 7.2

Интегрирующий множитель определяется по формуле $e^{\int P (x) d x}$ , где $P (x) = \frac{2}{x}$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.2.1

Зададим интегрирование.

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

Этап 7.2.2

Проинтегрируем $\frac{2}{x}$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.2.2.1

Поскольку $2$ — константа по отношению к $x$ , вынесем $2$ из-под знака интеграла.

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

Этап 7.2.2.2

Интеграл $\frac{1}{x}$ по $x$ имеет вид $\ln (| x |)$ .

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

Этап 7.2.2.3

Упростим.

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

Этап 7.2.3

Уберем постоянную интегрирования.

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

Этап 7.2.4

Применим правило степени для логарифма.

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

Этап 7.2.5

Экспонента и логарифм являются обратными функциями.

$x^{2}$

Этап 7.3

Умножим каждый член на интегрирующий множитель $x^{2}$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.3.1

Умножим каждый член на $x^{2}$ .

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

Этап 7.3.2

Упростим каждый член.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.3.2.1

Объединим $\frac{2}{x}$ и $v$ .

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

Этап 7.3.2.2

Сократим общий множитель $x$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.3.2.2.1

Вынесем множитель $x$ из $x^{2}$ .

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

Этап 7.3.2.2.2

Сократим общий множитель.

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

Этап 7.3.2.2.3

Перепишем это выражение.

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

Этап 7.3.2.3

Перепишем, используя свойство коммутативности умножения.

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

Этап 7.3.3

Умножим $x^{2}$ на $x^{2}$ , сложив экспоненты.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.3.3.1

Применим правило степени $a^{m} a^{n} = a^{m + n}$ для объединения показателей.

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

Этап 7.3.3.2

Добавим $2$ и $2$ .

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

Этап 7.4

Перепишем левую часть как результат дифференцирования произведения.

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

Этап 7.5

Зададим интеграл на каждой стороне.

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

Этап 7.6

Проинтегрируем левую часть.

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

Этап 7.7

По правилу степени интеграл $x^{4}$ по $x$ имеет вид $\frac{1}{5} x^{5}$ .

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

Этап 7.8

Разделим каждый член $x^{2} v = \frac{1}{5} x^{5} + C$ на $x^{2}$ и упростим.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.8.1

Разделим каждый член $x^{2} v = \frac{1}{5} x^{5} + C$ на $x^{2}$ .

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

Этап 7.8.2

Упростим левую часть.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.8.2.1

Сократим общий множитель $x^{2}$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.8.2.1.1

Сократим общий множитель.

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

Этап 7.8.2.1.2

Разделим $v$ на $1$ .

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

Этап 7.8.3

Упростим правую часть.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.8.3.1

Упростим каждый член.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.8.3.1.1

Сократим общий множитель $x^{5}$ и $x^{2}$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.8.3.1.1.1

Вынесем множитель $x^{2}$ из $\frac{1}{5} x^{5}$ .

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

Этап 7.8.3.1.1.2

Сократим общие множители.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 7.8.3.1.1.2.1

Умножим на $1$ .

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

Этап 7.8.3.1.1.2.2

Сократим общий множитель.

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

Этап 7.8.3.1.1.2.3

Перепишем это выражение.

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

Этап 7.8.3.1.1.2.4

Разделим $\frac{1}{5} x^{3}$ на $1$ .

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

Этап 7.8.3.1.2

Объединим $\frac{1}{5}$ и $x^{3}$ .

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

Этап 8

Подставим $y^{- 1}$ вместо $v$ .

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