Esimerkit : Eksaktius ja integroiva tekijä

Integroiva tekijä

1) Differentiaaliyhtälön y + (x2y - x)y' = 0 kerroinfunktiot ovat P (x, y) = y ja Q(x, y) = x2 y - x. Koska osittaisderivaatat

@P
----
@y = 1  ja  @Q
----
@x = 2xy - 1

ovat eri suuret, yhtälö ei ole eksakti.

Jos yhtälö kerrotaan tekijällä 1/x2, se saa muodon

y
-2-
x + (       )
      1
  y-  --
      x y' = 0.

Tällöin

@
@y-y
x2- =  1
x2- = @
@x-(      )
      1
  y-  x- ,

ja yhtälö siis on eksakti. Kerroin 1/x2 on yhtälön integroiva tekijä.

Yhtälö voidaan tällöin ratkaista eksaktiuteen perustuen. Tulos on

-y
x- + y2
2-- = C  eli  xy2 - 2y = 2Cx.

2) Joissakin erikoistapauksissa voidaan sopiva integroiva tekijä etsiä laskemalla. Esimerkkinä olkoon yhtälö (2xy - y2 - y) + (2xy - x2 - x)y' = 0, jolle yritetään etsiä muotoa M(x + y) oleva integroiva tekijä. Tässä M on siis yhden muuttujan funktio, jonka argumenttina on summa x + y.

Kun yhtälö kerrotaan integroivalla tekijällä saadaan kerroinfunktioiksi

P (x, y) = M(x + y)(2xy - y2 - y),   Q(x, y) = M(x + y)(2xy - x2 - x).

Eksaktiusehto @P
----
@y = @Q
----
 @x antaa tällöin
M'(x+y)(2xy - y2 - y) + M  (x + y)(2x -  2y-  1)
              = M '(x + y)(2xy - x2 - x) + M (x + y)(2y - 2x - 1),
mikä sievenee muotoon

M' (x + y)(x + y + 1) = -4M(x + y)  eli  M'(t)(t + 1) = -4M(t);

tässä on merkitty t = x + y. Saatu yhtälö on separoituva, ja sen eräs ratkaisu on M(t) = 1/(t + 1)4, jolloin integroivaksi tekijäksi saadaan

M(x + y) =       1
-----------4
(x + y + 1).

Tällöin yhtälöstä tulee eksakti ja se voidaan ratkaista. Tulos voidaan kirjoittaa muotoon

xy = C(x + y + 1)3.


Ratkaiseminen: integroivan tekijän menettely
Ratkaiseminen: differentiaaliyhtälön eksaktius
Esimerkki: eksaktin yhtälön ratkaiseminen

SKK 15.5.2001