Интеграциони множитељ

Pdx+Qdy=0  ако је   ∂P∂y≠∂Q∂xтада постоји функција  μ=μ(x,y) којом можемо помножити дату диференцијалну једначину  тако да   ∂(μP)∂y=∂(μQ)∂xодносно добијамо диференцијалну једначину тоталног диференцијалапри том важи1Q(∂P∂y−∂Q∂x)=F(x)⇒μ=μ(x)1P(∂P∂y−∂Q∂x)=F(y)⇒μ=μ(y)\begin{array}{l} Pdx + Qdy = 0 {\text{ }}{\text{ }} {\text{ако је }}{\text{ }} {\text{ }}\frac{{\partial P}}{{\partial y}} \ne \frac{{\partial Q}}{{\partial x}} \\ {\text{тада постоји функција }}{\text{ }} \mu = \mu \left( {x,y} \right) \\ {\text{ којом можемо помножити дату диференцијалну једначину }} \\ {\text{ тако да }}{\text{ }}{\text{ }} \frac{{\partial \left( {\mu P} \right)}}{{\partial y}} = \frac{{\partial \left( {\mu Q} \right)}}{{\partial x}} \\ {\text{односно добијамо диференцијалну једначину тоталног диференцијала}} \\ {\text{при том важи}} \\ \frac{1}{Q}\left( {\frac{{\partial P}}{{\partial y}} - \frac{{\partial Q}}{{\partial x}}} \right) = F\left( x \right) \Rightarrow \mu = \mu \left( x \right) \\ \frac{1}{P}\left( {\frac{{\partial P}}{{\partial y}} - \frac{{\partial Q}}{{\partial x}}} \right) = F\left( y \right) \Rightarrow \mu = \mu \left( y \right) \\ \end{array}

Задаци


1. Решити диференцијалну једначину  (2xy+x2y+y33)dx+(x2+y2)dy=0\left( {2xy + {x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3}} \right)dx + \left( {{x^2} + {y^2}} \right)dy = 0.

Покушајмо видети да ли је ово диференцијална једначина тоталног диференцијала.

(2xy+x2y+y33)⏟Pdx+(x2+y2)⏟Qdy=0\underbrace {\left( {2xy + {x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3}} \right)}_Pdx + \underbrace {\left( {{x^2} + {y^2}} \right)}_Qdy = 0

∂P∂y=2x+x2+133y2=2x+x2+y2\frac{{\partial P}}{{\partial y}} = 2x + {x^2} + \frac{1}{3}3{y^2} = 2x + {x^2} + {y^2}

∂Q∂x=2x\frac{{\partial Q}}{{\partial x}} = 2x

Добили смо да ∂P∂y≠∂Q∂x\frac{{\partial P}}{{\partial y}} \ne \frac{{\partial Q}}{{\partial x}}, па ово није једначина тоталног диференцијала.

Покушајмо пронаћи функцију μ(x,y)\mu \left( {x,y} \right) којом ћемо помножити једначину тако да она постане једначина тоталног диференцијала, односно

μPdx+μQdy=0\mu Pdx + \mu Qdy = 0 тако да је ∂(μP)∂y=∂(μQ)∂x\frac{{\partial \left( {\mu P} \right)}}{{\partial y}} = \frac{{\partial \left( {\mu Q} \right)}}{{\partial x}}

Како је

1P(∂P∂y−∂Q∂x)=12xy+x2y+y33⋅(x2+y2)\frac{1}{P}\left( {\frac{{\partial P}}{{\partial y}} - \frac{{\partial Q}}{{\partial x}}} \right) = \frac{1}{{2xy + {x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3}}} \cdot \left( {{x^2} + {y^2}} \right) функција која зависи од обе променљиве

1Q(∂P∂y−∂Q∂x)=1x2+y2⋅(x2+y2)=1\frac{1}{Q}\left( {\frac{{\partial P}}{{\partial y}} - \frac{{\partial Q}}{{\partial x}}} \right) = \frac{1}{{{x^2} + {y^2}}} \cdot \left( {{x^2} + {y^2}} \right) = 1 константа ⇒μ=μ(x)\Rightarrow \mu = \mu \left( x \right)

Пошто је μ\mu функција која зависи само од xx важи да је ∂μ∂y=0\frac{{\partial \mu }}{{\partial y}} = 0 и ∂μ∂x=μ′\frac{{\partial \mu }}{{\partial x}} = \mu '

∂(μP)∂y=∂(μQ)∂x\frac{{\partial \left( {\mu P} \right)}}{{\partial y}} = \frac{{\partial \left( {\mu Q} \right)}}{{\partial x}}

∂μ∂y⏟=0P+μ∂P∂y=∂μ∂x⏟=μ′Q+μ∂Q∂x\underbrace {\frac{{\partial \mu }}{{\partial y}}}_{ = 0}P + \mu \frac{{\partial P}}{{\partial y}} = \underbrace {\frac{{\partial \mu }}{{\partial x}}}_{ = \mu '}Q + \mu \frac{{\partial Q}}{{\partial x}}

μ(2x+x2+y2)=μ′(x2+y2)+μ⋅2x\mu \left( {2x + {x^2} + {y^2}} \right) = \mu '\left( {{x^2} + {y^2}} \right) + \mu \cdot 2x

μ(2x+x2+y2−2x)=μ′(x2+y2)\mu \left( {2x + {x^2} + {y^2} - 2x} \right) = \mu '\left( {{x^2} + {y^2}} \right)

μ(x2+y2)=μ′(x2+y2)\mu \left( {{x^2} + {y^2}} \right) = \mu '\left( {{x^2} + {y^2}} \right)

μ=μ′\mu = \mu '

μ=dμdx\mu = \frac{{d\mu }}{{dx}}

dx=dμμ  /∫dx = \frac{{d\mu }}{\mu }{\rm{ }} {\text{ }}{\text{ }} /\int {}

x=ln⁡μx = \ln \mu

μ=ex\mu = {e^x}

Сада када смо нашли функцију μ\mu можем,о прећи на решавање једначине тоталног диференцијала

ex(2xy+x2y+y33)⏟P1dx+ex(x2+y2)⏟Q1dy=0\underbrace {{e^x}\left( {2xy + {x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3}} \right)}_{{P_1}}dx + \underbrace {{e^x}\left( {{x^2} + {y^2}} \right)}_{{Q_1}}dy = 0

∂P1∂y=(ex)y,⏟=0(2xy+x2y+y33)+ex(2xy+x2y+y33)y,=\frac{{\partial {P_1}}}{{\partial y}} = \underbrace {\left( {{e^x}} \right)_y^,}_{ = 0}\left( {2xy + {x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3}} \right) + {e^x}\left( {2xy + {x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3}} \right)_y^, =

      =ex(2x+x2+133y2)=ex(2x+x2+y2){\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} = {e^x}\left( {2x + {x^2} + \frac{1}{3}3{y^2}} \right) = {e^x}\left( {2x + {x^2} + {y^2}} \right)

∂Q1∂x=(ex)x,(x2+y2)+ex(x2+y2)x,=ex(x2+y2)+ex⋅2x=\frac{{\partial {Q_1}}}{{\partial x}} = \left( {{e^x}} \right)_x^,\left( {{x^2} + {y^2}} \right) + {e^x}\left( {{x^2} + {y^2}} \right)_x^, = {e^x}\left( {{x^2} + {y^2}} \right) + {e^x} \cdot 2x =

      =ex(x2+y2+2x){\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} = {e^x}\left( {{x^2} + {y^2} + 2x} \right)

∂P1∂y=∂Q1∂x\frac{{\partial {P_1}}}{{\partial y}} = \frac{{\partial {Q_1}}}{{\partial x}}

∃F(x,y)=C:∂F∂x⏟P1dx+∂F∂y⏟Q1dy=0\exists F\left( {x,y} \right) = C:\underbrace {\frac{{\partial F}}{{\partial x}}}_{{P_1}}dx + \underbrace {\frac{{\partial F}}{{\partial y}}}_{{Q_1}}dy = 0

∂F∂x=P1=ex(2xy+x2y+y33)  /∫dx\frac{{\partial F}}{{\partial x}} = {P_1} = {e^x}\left( {2xy + {x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3}} \right){\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /\int {} dx

∫∂F∂xdx=∫ex(2xy+x2y+y33)dx\int {\frac{{\partial F}}{{\partial x}}dx = \int {{e^x}\left( {2xy + {x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3}} \right)} } dx 

                 ∣2xy+x2y+y33=uexdx=dv(2y+2xy)dx=duv=∫exdx=ex∣{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {2xy + {x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3} = u}&{{e^x}dx = dv}\\ {\left( {2y + 2xy} \right)dx = du}&{v = \int {{e^x}dx = {e^x}} } \end{array}} \right|

F(x,y)=(2xy+x2y+y33)ex−∫ex(2y+2xy)dxF\left( {x,y} \right)= \left( {2xy + {x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3}} \right){e^x} - \int {{e^x}\left( {2y + 2xy} \right)dx}

                                                         ∣2y+2xy=uexdx=dv2ydx=duv=ex∣{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {2y + 2xy = u}&{{e^x}dx = dv}\\ {2ydx = du}&{v = {e^x}} \end{array}} \right|

            =(2xy+x2y+y33)ex−((2y+2xy)ex−∫ex2ydx){\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} = \left( {2xy + {x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3}} \right){e^x} - \left( {\left( {2y + 2xy} \right){e^x} - \int {{e^x}} 2ydx} \right)

            =(2xy+x2y+y33)ex−(2y+2xy)ex+2yex+φ(y)={\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} = \left( {2xy + {x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3}} \right){e^x} - \left( {2y + 2xy} \right){e^x} + 2y{e^x} + \varphi \left( y \right) =

            =(2xy+x2y+y33−2y−2xy+2y)ex+φ(y)={\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} = \left( {2xy + {x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3} - 2y - 2xy + 2y} \right){e^x} + \varphi \left( y \right) =

F(x,y)=(x2y+y33)ex+φ(y)  /∂∂yF\left( {x,y} \right) = \left( {{x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3}} \right){e^x} + \varphi \left( y \right){\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /\frac{\partial }{{\partial y}}

∂F∂y=(x2+y2)ex+φ′(y)=Q1\frac{{\partial F}}{{\partial y}} = \left( {{x^2} + {y^2}} \right){e^x} + \varphi '\left( y \right) = {Q_1}

(x2+y2)ex+φ′(y)=ex(x2+y2)\left( {{x^2} + {y^2}} \right){e^x} + \varphi '\left( y \right) = {e^x}\left( {{x^2} + {y^2}} \right)

φ′(y)=0\varphi '\left( y \right) = 0

φ(y)=C1\varphi \left( y \right) = {C_1}

F(x,y)=(x2y+y33)ex+C1F\left( {x,y} \right) = \left( {{x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3}} \right){e^x} + {C_1}

(x2y+y33)ex=C\left( {{x^2}y + \frac{{{y^3}}}{3}} \right){e^x} = C


2. Решити диференцијалну једначину  yxdx+(y3−ln⁡x)dy=0\frac{y}{x}dx + \left( {{y^3} - \ln x} \right)dy = 0.

Покушајмо видети да ли је ово диференцијална једначина тоталног диференцијала.

yx⏟Pdx+(y3−ln⁡x)⏟Qdy=0\underbrace {\frac{y}{x}}_Pdx + \underbrace {\left( {{y^3} - \ln x} \right)}_Qdy = 0

∂P∂y=1x\frac{{\partial P}}{{\partial y}} = \frac{1}{x}

∂Q∂x=−1x\frac{{\partial Q}}{{\partial x}} = - \frac{1}{x}

Добили смо да ∂P∂y≠∂Q∂x\frac{{\partial P}}{{\partial y}} \ne \frac{{\partial Q}}{{\partial x}}, па ово није једначина тоталног диференцијала.

Покушајмо пронаћи функцију μ(x,y)\mu \left( {x,y} \right) којом ћемо помножити једначину тако да она постане једначина тоталног диференцијала, односно

μPdx+μQdy=0\mu Pdx + \mu Qdy = 0 тако да је ∂(μP)∂y=∂(μQ)∂x\frac{{\partial \left( {\mu P} \right)}}{{\partial y}} = \frac{{\partial \left( {\mu Q} \right)}}{{\partial x}}

Како је

1P(∂P∂y−∂Q∂x)=xy(1x−(−1x))=xy2x=2y  ⇒  μ=μ(y)\frac{1}{P}\left( {\frac{{\partial P}}{{\partial y}} - \frac{{\partial Q}}{{\partial x}}} \right) = \frac{x}{y}\left( {\frac{1}{x} - \left( { - \frac{1}{x}} \right)} \right) = \frac{x}{y}\frac{2}{x} = \frac{2}{y} {\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow{\text{ }}{\text{ }} \mu = \mu \left( y \right)

Пошто је μ\mu функција која зависи само од yy важи да је ∂μ∂x=0\frac{{\partial \mu }}{{\partial x}} = 0 и ∂μ∂y=dμdy=μ′\frac{{\partial \mu }}{{\partial y}} = \frac{{d\mu }}{{dy}} = \mu '

∂(μP)∂y=∂(μQ)∂x\frac{{\partial \left( {\mu P} \right)}}{{\partial y}} = \frac{{\partial \left( {\mu Q} \right)}}{{\partial x}}

∂μ∂y⏟=μ′P+∂P∂yμ=∂μ∂x⏟=0Q+∂Q∂xμ\underbrace {\frac{{\partial \mu }}{{\partial y}}}_{ = \mu '}P + \frac{{\partial P}}{{\partial y}}\mu = \underbrace {\frac{{\partial \mu }}{{\partial x}}}_{ = 0}Q + \frac{{\partial Q}}{{\partial x}}\mu

μ′yx+1xμ=−1xμ\mu '\frac{y}{x} + \frac{1}{x}\mu = - \frac{1}{x}\mu

μ′yx=−2xμ\mu '\frac{y}{x} = - \frac{2}{x}\mu

dμdyy=−2μ\frac{{d\mu }}{{dy}}y = - 2\mu

dμμ=−2dyy  /∫\frac{{d\mu }}{\mu } = - 2\frac{{dy}}{y}{\rm{ }{\text{ }}{\text{ }} }/\int {}

ln⁡μ=−2ln⁡y\ln \mu = - 2\ln y

μ=1y2\mu = \frac{1}{{{y^2}}}

Сада када смо нашли функцију μ\mu можем,о прећи на решавање једначине тоталног диференцијала

1y2yxdx+1y2(y3−ln⁡x)dy=0\frac{1}{{{y^2}}}\frac{y}{x}dx + \frac{1}{{{y^2}}}\left( {{y^3} - \ln x} \right)dy = 0

1xy⏟P1dx+(y−ln⁡xy2)⏟Q1dy=0\underbrace {\frac{1}{{xy}}}_{{P_1}}dx + \underbrace {\left( {y - \frac{{\ln x}}{{{y^2}}}} \right)}_{{Q_1}}dy = 0

∂P1∂y=1x(−1y−2)=−1xy2\frac{{\partial {P_1}}}{{\partial y}} = \frac{1}{x}\left( { - 1{y^{ - 2}}} \right) = - \frac{1}{{x{y^2}}}

∂Q1∂x=−1y21x=1xy2\frac{{\partial {Q_1}}}{{\partial x}} = - \frac{1}{{{y^2}}}\frac{1}{x} = \frac{1}{{x{y^2}}}

∂P1∂y=∂Q1∂x\frac{{\partial {P_1}}}{{\partial y}} = \frac{{\partial {Q_1}}}{{\partial x}}

∃F(x,y)=C:∂F∂x⏟P1dx+∂F∂y⏟Q1dy=0\exists F\left( {x,y} \right) = C:\underbrace {\frac{{\partial F}}{{\partial x}}}_{{P_1}}dx + \underbrace {\frac{{\partial F}}{{\partial y}}}_{{Q_1}}dy = 0

∂F∂x=P1=1xy  /∫dx\frac{{\partial F}}{{\partial x}} = {P_1} = \frac{1}{{xy}}{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /\int {} dx

F(x,y)=∫1xydxF\left( {x,y} \right) = \int {\frac{1}{{xy}}} dx

F(x,y)=1yln⁡x+φ(y)  /∂∂yF\left( {x,y} \right) = \frac{1}{y}\ln x + \varphi \left( y \right){\rm{ }} {\text{ }}{\text{ }} /\frac{\partial }{{\partial y}}

∂F∂y=ln⁡x⋅(−y−2)+φ′(y)=Q1\frac{{\partial F}}{{\partial y}} = \ln x \cdot \left( { - {y^{ - 2}}} \right) + \varphi '\left( y \right) = {Q_1}

−ln⁡xy2+φ′(y)=y−ln⁡xy2- \frac{{\ln x}}{{{y^2}}} + \varphi '\left( y \right) = y - \frac{{\ln x}}{{{y^2}}}

φ′(y)=y  /∫dy\varphi '\left( y \right) = y{\rm{ }} {\text{ }}{\text{ }} /\int {} dy

φ(y)=y2+C\varphi \left( y \right) = {y^2} + C

F(x,y)=ln⁡xy+y2+C1F\left( {x,y} \right) = \frac{{\ln x}}{y} + {y^2} + {C_1}

ln⁡xy+y2=C\frac{{\ln x}}{y} + {y^2} = C

3. Решити диференцијалну једначину  xdx+ydy+xdy−ydx=0xdx + ydy + xdy - ydx = 0,  ако знамо да има интеграциони множитељ облика  h=h(x2+y2)h = h\left( {{x^2} + {y^2}} \right).

xdx+ydy+xdy−ydx=0xdx + ydy + xdy - ydx = 0

(x−y)⏟Pdx+(x+y)⏟Qdy=0\underbrace {\left( {x - y} \right)}_Pdx + \underbrace {\left( {x + y} \right)}_Qdy = 0

∂P∂y=−1\frac{{\partial P}}{{\partial y}} = - 1

∂Q∂x=1\frac{{\partial Q}}{{\partial x}} = 1

∂P∂y≠∂Q∂x\frac{{\partial P}}{{\partial y}} \ne \frac{{\partial Q}}{{\partial x}}

Ово није једначина тоталног диференцијала, па тражимо функцију h=h(x2+y2)h = h\left( {{x^2} + {y^2}} \right) којом када помножимо једначину добијамо једначину тоталног диференцијала.

h⋅(x−y)⏟P1dx+h⋅(x+y)⏟Q1dy=0\underbrace {h \cdot \left( {x - y} \right)}_{{P_1}}dx + \underbrace {h \cdot \left( {x + y} \right)}_{{Q_1}}dy = 0

односно тако да важи

∂P1∂y=∂Q1∂x\frac{{\partial {P_1}}}{{\partial y}} = \frac{{\partial {Q_1}}}{{\partial x}}

∂(h⋅(x−y))∂y=∂(h⋅(x+y))∂x\frac{{\partial \left( {h \cdot \left( {x - y} \right)} \right)}}{{\partial y}} = \frac{{\partial \left( {h \cdot \left( {x + y} \right)} \right)}}{{\partial x}}

∂h∂y⋅(x−y)+∂(x−y)∂y⋅h=∂h∂x⋅(x+y)+∂(x+y)∂x⋅h\frac{{\partial h}}{{\partial y}} \cdot \left( {x - y} \right) + \frac{{\partial \left( {x - y} \right)}}{{\partial y}} \cdot h = \frac{{\partial h}}{{\partial x}} \cdot \left( {x + y} \right) + \frac{{\partial \left( {x + y} \right)}}{{\partial x}} \cdot h

Како је h=h(t)h = h\left( t \right) уводимо смену x2+y2=t{x^2} + {y^2} = t.

Тада је

h=h(t)h = h\left( t \right)

∂h∂x=∂h∂t∂t∂x=h′⋅2x\frac{{\partial h}}{{\partial x}} = \frac{{\partial h}}{{\partial t}}\frac{{\partial t}}{{\partial x}} = h' \cdot 2x

∂h∂y=∂h∂t∂t∂y=h′⋅2y\frac{{\partial h}}{{\partial y}} = \frac{{\partial h}}{{\partial t}}\frac{{\partial t}}{{\partial y}} = h' \cdot 2y

h′⋅2y⋅(x−y)+(−1)⋅h=h′⋅2x⋅(x+y)+1⋅hh' \cdot 2y \cdot \left( {x - y} \right) + \left( { - 1} \right) \cdot h = h' \cdot 2x \cdot \left( {x + y} \right) + 1 \cdot h

h′⋅(2xy−2y2−2x2−2xy)=2hh' \cdot \left( {2xy - 2{y^2} - 2{x^2} - 2xy} \right) = 2h

h′(−2(x2+y2)⏟=t)=2hh'\left( { - 2\underbrace {\left( {{x^2} + {y^2}} \right)}_{ = t}} \right) = 2h

−h′t=h- h't = h

−dhdtt=h- \frac{{dh}}{{dt}}t = h

dhh=−dtt  /∫\frac{{dh}}{h} = - \frac{{dt}}{t}{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /\int {}

ln⁡h=−ln⁡t\ln h = - \ln t

h=1th = \frac{1}{t}

h=1x2+y2h = \frac{1}{{{x^2} + {y^2}}}

Сада, када смо добили функцију hh можемо прећи на решавање једначине тоталног диференцијала

x−yx2+y2⏟P1dx+x+yx2+y2⏟Q1dy=0\underbrace {\frac{{x - y}}{{{x^2} + {y^2}}}}_{{P_1}}dx + \underbrace {\frac{{x + y}}{{{x^2} + {y^2}}}}_{{Q_1}}dy = 0

∂P1∂y=−1⋅(x2+y2)−(x−y)⋅2y(x2+y2)2=−x2−y2−2xy+2y2(x2+y2)2=−x2+y2−2xy(x2+y2)2\frac{{\partial {P_1}}}{{\partial y}} = \frac{{ - 1 \cdot \left( {{x^2} + {y^2}} \right) - \left( {x - y} \right) \cdot 2y}}{{{{\left( {{x^2} + {y^2}} \right)}^2}}} = \frac{{ - {x^2} - {y^2} - 2xy + 2{y^2}}}{{{{\left( {{x^2} + {y^2}} \right)}^2}}} = \frac{{ - {x^2} + {y^2} - 2xy}}{{{{\left( {{x^2} + {y^2}} \right)}^2}}}

∂Q1∂x=1⋅(x2+y2)−(x+y)⋅2x(x2+y2)2=x2+y2−2x2−2xy(x2+y2)2=−x2+y2−2xy(x2+y2)2\frac{{\partial {Q_1}}}{{\partial x}} = \frac{{1 \cdot \left( {{x^2} + {y^2}} \right) - \left( {x + y} \right) \cdot 2x}}{{{{\left( {{x^2} + {y^2}} \right)}^2}}} = \frac{{{x^2} + {y^2} - 2{x^2} - 2xy}}{{{{\left( {{x^2} + {y^2}} \right)}^2}}} = \frac{{ - {x^2} + {y^2} - 2xy}}{{{{\left( {{x^2} + {y^2}} \right)}^2}}}

∂P1∂y=∂Q1∂x\frac{{\partial {P_1}}}{{\partial y}} = \frac{{\partial {Q_1}}}{{\partial x}}

∃F(x,y)=C:∂F∂x⏟P1dx+∂F∂y⏟Q1dy=0\exists F\left( {x,y} \right) = C:\underbrace {\frac{{\partial F}}{{\partial x}}}_{{P_1}}dx + \underbrace {\frac{{\partial F}}{{\partial y}}}_{{Q_1}}dy = 0

∂F∂x=P1=x−yx2+y2  /∫dx\frac{{\partial F}}{{\partial x}} = {P_1} = \frac{{x - y}}{{{x^2} + {y^2}}}{\rm{ }} {\text{ }}{\text{ }} /\int {} dx

∫∂F∂xdx=∫x−yx2+y2dx\int {\frac{{\partial F}}{{\partial x}}dx = \int {\frac{{x - y}}{{{x^2} + {y^2}}}dx} }

F(x,y)=∫xx2+y2dx−∫yx2+y2dxF\left( {x,y} \right) = \int {\frac{x}{{{x^2} + {y^2}}}dx} - \int {\frac{y}{{{x^2} + {y^2}}}dx}

              ∣x2+y2=t2xdx=dtxdx=dt2∣{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {{x^2} + {y^2} = t}\\ {2xdx = dt}\\ {xdx = \frac{{dt}}{2}} \end{array}} \right|

            =∫dt2t−y∫1x2+y2dx{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} = \int {\frac{{\frac{{dt}}{2}}}{t}} - y\int {\frac{1}{{{x^2} + {y^2}}}dx}

            =12ln⁡∣x2+y2∣−y1yarctgxy+φ(y){\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} = \frac{1}{2}\ln \left| {{x^2} + {y^2}} \right| - y\frac{1}{y}arctg\frac{x}{y} + \varphi \left( y \right)

F(x,y)=12ln⁡∣x2+y2∣−arctgxy+φ(y)F\left( {x,y} \right) = \frac{1}{2}\ln \left| {{x^2} + {y^2}} \right| - arctg\frac{x}{y} + \varphi \left( y \right)

Да бисмо још одредили φ(y)\varphi \left( y \right), извршићемо парцијалну интеграцију функције FF по yy и то изједначити са Q1Q_1.

F(x,y)=12ln⁡∣x2+y2∣−arctgxy+φ(y)/∂∂yF\left( {x,y} \right) = \frac{1}{2}\ln \left| {{x^2} + {y^2}} \right| - arctg\frac{x}{y} + \varphi \left( y \right){\rm{ }}/\frac{\partial }{{\partial y}}

∂F∂y=12⋅1x2+y2⋅2y−11+(xy)2⋅x(−y−2)+φ′(y)=Q1\frac{{\partial F}}{{\partial y}} = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{{{x^2} + {y^2}}} \cdot 2y - \frac{1}{{1 + {{\left( {\frac{x}{y}} \right)}^2}}} \cdot x\left( { - {y^{ - 2}}} \right) + \varphi '\left( y \right) = {Q_1}

yx2+y2−y2x2+y2(−xy2)+φ′(y)=Q1\frac{y}{{{x^2} + {y^2}}} - \frac{{{y^2}}}{{{x^2} + {y^2}}}\left( { - \frac{x}{{{y^2}}}} \right) + \varphi '\left( y \right) = {Q_1}

y+xx2+y2+φ′(y)=Q1⇒φ′(y)=0⇒φ(y)=C\frac{{y + x}}{{{x^2} + {y^2}}} + \varphi '\left( y \right) = {Q_1}{\rm{ }} \Rightarrow {\rm{ }}\varphi '\left( y \right) = 0{\rm{ }} \Rightarrow {\rm{ }}\varphi \left( y \right) = C

F(x,y)=12ln⁡∣x2+y2∣−arctgxy+CF\left( {x,y} \right) = \frac{1}{2}\ln \left| {{x^2} + {y^2}} \right| - arctg\frac{x}{y} + C

12ln⁡∣x2+y2∣−arctgxy=C\frac{1}{2}\ln \left| {{x^2} + {y^2}} \right| - arctg\frac{x}{y} = C

4. Решити диференцијалну једначину  y2dx+x2dy=0{y^2}dx + {x^2}dy = 0   ако се зна да има интеграциони множитељ облика  h=h(x+y)h = h\left( {x + y} \right).

y2⏟Pdx+x2⏟Qdy=0\underbrace {{y^2}}_Pdx + \underbrace {{x^2}}_Qdy = 0

∂P∂y=2y\frac{{\partial P}}{{\partial y}} = 2y

∂Q∂x=2x\frac{{\partial Q}}{{\partial x}} = 2x

∂P∂y≠∂Q∂x\frac{{\partial P}}{{\partial y}} \ne \frac{{\partial Q}}{{\partial x}}

h=h(x+y):hPdx+hQdy=0h = h\left( {x + y} \right):{\rm{ }}hPdx + hQdy = 0

                            ∂hP∂y=∂hQ∂x{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} \frac{{\partial hP}}{{\partial y}} = \frac{{\partial hQ}}{{\partial x}}

                ∂h∂yP+∂P∂yh=∂h∂xQ+∂Q∂xh{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} \frac{{\partial h}}{{\partial y}}P + \frac{{\partial P}}{{\partial y}}h = \frac{{\partial h}}{{\partial x}}Q + \frac{{\partial Q}}{{\partial x}}h

x+y=t  ⇒  h=h(t)x + y = t {\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow{\text{ }}{\text{ }} h = h\left( t \right)

∂h∂y=∂h∂t⋅∂t∂y=h′⋅1=h′\frac{{\partial h}}{{\partial y}} = \frac{{\partial h}}{{\partial t}} \cdot \frac{{\partial t}}{{\partial y}} = h' \cdot 1 = h'

∂h∂x=∂h∂t⋅∂t∂x=h′⋅1=h′\frac{{\partial h}}{{\partial x}} = \frac{{\partial h}}{{\partial t}} \cdot \frac{{\partial t}}{{\partial x}} = h' \cdot 1 = h'

h′y2+2yh=h′x2+2xhh'{y^2} + 2yh = h'{x^2} + 2xh

h′(y2−x2)=h(2x−2y)h'\left( {{y^2} - {x^2}} \right) = h\left( {2x - 2y} \right)

h′(y−x)(y+x)=−2h(y−x)h'\left( {y - x} \right)\left( {y + x} \right) = - 2h\left( {y - x} \right)

h′(y+x)⏟t=−2hh'\underbrace {\left( {y + x} \right)}_t = - 2h

dhdtt=−2h\frac{{dh}}{{dt}}t = - 2h

dhh=−2dtt  /∫\frac{{dh}}{h} = - \frac{{2dt}}{t}{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /\int {}

ln⁡h=−2ln⁡t\ln h = - 2\ln t

h=t−2h = {t^{ - 2}}

h=1(x+y)2h = \frac{1}{{{{\left( {x + y} \right)}^2}}}

(yx+y)2⏟P1dx+(xx+y)2⏟Q1dy=0\underbrace {{{\left( {\frac{y}{{x + y}}} \right)}^2}}_{{P_1}}dx + \underbrace {{{\left( {\frac{x}{{x + y}}} \right)}^2}}_{{Q_1}}dy = 0

∂P1∂y=2yx+y1(x+y)−y⋅1(x+y)2=2yx+yx+y−y(x+y)2=2xy(x+y)3\frac{{\partial {P_1}}}{{\partial y}} = 2\frac{y}{{x + y}}\frac{{1\left( {x + y} \right) - y \cdot 1}}{{{{\left( {x + y} \right)}^2}}} = 2\frac{y}{{x + y}}\frac{{x + y - y}}{{{{\left( {x + y} \right)}^2}}} = \frac{{2xy}}{{{{\left( {x + y} \right)}^3}}}

∂Q1∂x=2xx+y1(x+y)−x⋅1(x+y)2=2xx+yx+y−x(x+y)2=2xy(x+y)3\frac{{\partial {Q_1}}}{{\partial x}} = 2\frac{x}{{x + y}}\frac{{1\left( {x + y} \right) - x \cdot 1}}{{{{\left( {x + y} \right)}^2}}} = 2\frac{x}{{x + y}}\frac{{x + y - x}}{{{{\left( {x + y} \right)}^2}}} = \frac{{2xy}}{{{{\left( {x + y} \right)}^3}}}

∂P1∂y=∂Q1∂x\frac{{\partial {P_1}}}{{\partial y}} = \frac{{\partial {Q_1}}}{{\partial x}}

∃F(x,y)=C:  ∂F∂x⏟P1dx+∂F∂y⏟Q1dy=0\exists F\left( {x,y} \right) = C:{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \underbrace {\frac{{\partial F}}{{\partial x}}}_{{P_1}}dx + \underbrace {\frac{{\partial F}}{{\partial y}}}_{{Q_1}}dy = 0

∂F∂x=P1=(yx+y)2  /∫dx\frac{{\partial F}}{{\partial x}} = {P_1} = {\left( {\frac{y}{{x + y}}} \right)^2}{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /\int {} dx

F(x,y)=∫y2(x+y)2dx=y2∫1(x+y)2dx=∣x+y=tdx=dt∣=F\left( {x,y} \right) = \int {\frac{{{y^2}}}{{{{\left( {x + y} \right)}^2}}}} dx = {y^2}\int {\frac{1}{{{{\left( {x + y} \right)}^2}}}} dx = \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {x + y = t}\\ {dx = dt} \end{array}} \right| =

             =y2∫t−2dt=y2(−1t)+φ(y){\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }} {\text{ }} {\text{ }} ={y^2}\int {{t^{ - 2}}} dt = {y^2}\left( { - \frac{1}{t}} \right) + \varphi \left( y \right)

F(x,y)=−y2x+y+φ(y)  /∂∂yF\left( {x,y} \right) = - \frac{{{y^2}}}{{x + y}} + \varphi \left( y \right){\rm{ }}{\text{ }} {\text{ }} /\frac{\partial }{{\partial y}}

∂F∂y=−2y(x+y)+y2⋅1(x+y)2+φ′(y)=Q1\frac{{\partial F}}{{\partial y}} = \frac{{ - 2y\left( {x + y} \right) + {y^2} \cdot 1}}{{{{\left( {x + y} \right)}^2}}} + \varphi '\left( y \right) = {Q_1}

          −2yx−2y2+y2(x+y)2+φ′(y)=(xx+y)2{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}\frac{{ - 2yx - 2{y^2} + {y^2}}}{{{{\left( {x + y} \right)}^2}}} + \varphi '\left( y \right) = {\left( {\frac{x}{{x + y}}} \right)^2}

φ′(y)=(xx+y)2−−2yx−y2(x+y)2\varphi '\left( y \right) = {\left( {\frac{x}{{x + y}}} \right)^2} - \frac{{ - 2yx - {y^2}}}{{{{\left( {x + y} \right)}^2}}}

φ′(y)=x2+2yx+y2(x+y)2=1\varphi '\left( y \right) = \frac{{{x^2} + 2yx + {y^2}}}{{{{\left( {x + y} \right)}^2}}} = 1

φ(y)=y+C1\varphi \left( y \right) = y + {C_1}

F(x,y)=−y2x+y+y+C1=−y2+xy+y2x+y+C1F\left( {x,y} \right) = - \frac{{{y^2}}}{{x + y}} + y + {C_1} = \frac{{ - {y^2} + xy + {y^2}}}{{x + y}} + {C_1}

xyx+y=C\frac{{xy}}{{x + y}} = C

Кад једначина P dx+Q dy=0P\,dx + Q\,dy = 0 није тоталног диференцијала, ∂P∂y≠∂Q∂x\frac{\partial P}{\partial y} \neq \frac{\partial Q}{\partial x}, тражите функцију μ\mu такву да помножена једначина то постане: ∂(μP)∂y=∂(μQ)∂x\frac{\partial(\mu P)}{\partial y} = \frac{\partial(\mu Q)}{\partial x}. Ако израз 1Q(∂P∂y−∂Q∂x)\frac{1}{Q}\left(\frac{\partial P}{\partial y} - \frac{\partial Q}{\partial x}\right) зависи само од xx, постоји μ=μ(x)\mu = \mu(x); ако 1P(∂P∂y−∂Q∂x)\frac{1}{P}\left(\frac{\partial P}{\partial y} - \frac{\partial Q}{\partial x}\right) зависи само од yy, постоји μ=μ(y)\mu = \mu(y).

Затим услов ∂(μP)∂y=∂(μQ)∂x\frac{\partial(\mu P)}{\partial y} = \frac{\partial(\mu Q)}{\partial x} распишите по правилу производа; добијате једначину по μ\mu која раздваја променљиве, а решавате је без константе. Помножену једначину решите као једначину тоталног диференцијала, али прво проверите да ли сада важи ∂(μP)∂y=∂(μQ)∂x\frac{\partial(\mu P)}{\partial y} = \frac{\partial(\mu Q)}{\partial x}: та провера брзо открива грешку у знаку. Ако је облик множитеља задат, на пример μ=h(x2+y2)\mu = h(x^2 + y^2), уведите t=x2+y2t = x^2 + y^2 и парцијалне изводе од hh рачунајте као извод сложене функције.

4812162020040060080010001200εT (K)споро сабијањебрзо сабијање
300 K
16
Температура на крају
909 K
У степенима Целзијуса
636°C
Пошто је TV0,4TV^{0{,}4} стално, T2=T1ε0,4T_2 = T_1\varepsilon^{0{,}4}, где је ε=V1V2\varepsilon = \frac{V_1}{V_2} степен сабијања. За ε=16\varepsilon = 16 ваздух се загреје на око 909 K909\ \mathrm{K}; да се сабија споро, уз размену топлоте, температура би остала T1T_1.

У термодинамици је 1T\frac{1}{T} интеграциони множитељ: размењена топлота није тотални диференцијал, а после дељења температуром постаје диференцијал ентропије, на чему почивају прорачуни мотора, топлотних пумпи и фрижидера.

Дизел мотор без свећице

У цилиндру дизел мотора ваздух температуре T1=300 KT_1 = 300\ \mathrm{K} сабија се на шеснаестину почетне запремине. У поједностављеном моделу ваздух је идеалан гас и сабија се тако брзо да не стигне да размени топлоту са околином, па за један мол ваздуха важи 52 dT+TV dV=0\frac{5}{2}\,dT + \frac{T}{V}\,dV = 0, где је TT температура, а VV запремина. Решите ову једначину помоћу интеграционог множитеља и израчунајте температуру ваздуха на крају сабијања.

Решење

  1. Са TT у улози xx и VV у улози yy: P=52P = \frac{5}{2} и Q=TVQ = \frac{T}{V}, а ∂P∂V=0≠∂Q∂T=1V\frac{\partial P}{\partial V} = 0 \neq \frac{\partial Q}{\partial T} = \frac{1}{V}, па једначина није тоталног диференцијала.
  2. Израз 1Q(∂P∂V−∂Q∂T)=VT⋅(−1V)=−1T\frac{1}{Q}\left(\frac{\partial P}{\partial V} - \frac{\partial Q}{\partial T}\right) = \frac{V}{T} \cdot \left(-\frac{1}{V}\right) = -\frac{1}{T} зависи само од TT, па тражимо μ=μ(T)\mu = \mu(T).
  3. Из ∂(μP)∂V=∂(μQ)∂T\frac{\partial(\mu P)}{\partial V} = \frac{\partial(\mu Q)}{\partial T} следи 0=μ′⋅TV+μ⋅1V0 = \mu' \cdot \frac{T}{V} + \mu \cdot \frac{1}{V}, тј. dμμ=−dTT\frac{d\mu}{\mu} = -\frac{dT}{T}, па је μ=1T\mu = \frac{1}{T}.
  4. Једначина 52T dT+1V dV=0\frac{5}{2T}\,dT + \frac{1}{V}\,dV = 0 је сада тоталног диференцијала, са F=52ln⁡T+ln⁡VF = \frac{5}{2}\ln T + \ln V. Решење F=CF = C значи да је T52VT^{\frac{5}{2}}V, односно TV0,4TV^{0{,}4}, стално током сабијања.
  5. Зато је T2=T1(V1V2)0,4=300⋅160,4≈300⋅3,031≈909 KT_2 = T_1\left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{0{,}4} = 300 \cdot 16^{0{,}4} \approx 300 \cdot 3{,}031 \approx 909\ \mathrm{K}, што је око 636 ∘C636\,^\circ\mathrm{C}.

Одговор: У овом моделу ваздух на крају сабијања има око 909 K909\ \mathrm{K}, тј. око 636 ∘C636\,^\circ\mathrm{C}, далеко изнад температуре паљења дизел горива, па се убризгано гориво пали само од себе, без свећице.

Задатак за вежбу

Решите једначину (x2+y2+x) dx+xy dy=0(x^2 + y^2 + x)\,dx + xy\,dy = 0 уз услов y(1)=1y(1) = 1.

Прикажи решење

1Q(∂P∂y−∂Q∂x)=2y−yxy=1x\frac{1}{Q}\left(\frac{\partial P}{\partial y} - \frac{\partial Q}{\partial x}\right) = \frac{2y - y}{xy} = \frac{1}{x}, па је μ′μ=1x\frac{\mu'}{\mu} = \frac{1}{x} и μ=x\mu = x. Тада је F=x44+x2y22+x33=CF = \frac{x^4}{4} + \frac{x^2y^2}{2} + \frac{x^3}{3} = C, а из y(1)=1y(1) = 1 следи C=1312C = \frac{13}{12}, тј. 3x4+6x2y2+4x3=133x^4 + 6x^2y^2 + 4x^3 = 13.