المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر
غزوة الحديبية والهدنة بين النبي وقريش
2024-11-01
بعد الحديبية افتروا على النبي « صلى الله عليه وآله » أنه سحر
2024-11-01
المستغفرون بالاسحار
2024-11-01
المرابطة في انتظار الفرج
2024-11-01
النضوج الجنسي للماشية sexual maturity
2024-11-01
المخرجون من ديارهم في سبيل الله
2024-11-01


Exact First-Order Ordinary Differential Equation  
  
1155   03:29 مساءً   date: 11-6-2018
Author : Boyce, W. E. and DiPrima, R. C
Book or Source : Elementary Differential Equations and Boundary Value Problems, 4th ed. New York: Wiley
Page and Part : ...

Exact First-Order Ordinary Differential Equation

Consider a first-order ODE in the slightly different form

 p(x,y)dx+q(x,y)dy=0.

(1)

Such an equation is said to be exact if

 (partialp)/(partialy)=(partialq)/(partialx).

(2)

This statement is equivalent to the requirement that a conservative field exists, so that a scalar potential can be defined. For an exact equation, the solution is

 int_((x_0,y_0))^((x,y))p(x,y)dx+q(x,y)dy=c,

(3)

where c is a constant.

A first-order ODE (◇) is said to be inexact if

 (partialp)/(partialy)!=(partialq)/(partialx).

(4)

For a nonexact equation, the solution may be obtained by defining an integrating factor mu of (◇) so that the new equation

 mup(x,y)dx+muq(x,y)dy=0

(5)

satisfies

 partial/(partialy)(mup)=partial/(partialx)(muq),

(6)

or, written out explicitly,

 p(partialmu)/(partialy)+mu(partialp)/(partialy)=q(partialmu)/(partialx)+mu(partialq)/(partialx).

(7)

This transforms the nonexact equation into an exact one. Solving (7) for mu gives

 mu=(q(partialmu)/(partialx)-p(partialmu)/(partialy))/((partialp)/(partialy)-(partialq)/(partialx)).

(8)

Therefore, if a function mu satisfying (8) can be found, then writing

P(x,y) = mup

(9)

Q(x,y) = muq

(10)

in equation (◇) then gives

 P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0,

(11)

which is then an exact ODE. Special cases in which mu can be found include x-dependent, xy-dependent, and y-dependent integrating factors.

Given an inexact first-order ODE, we can also look for an integrating factor mu(x) so that

 (partialmu)/(partialy)=0.

(12)

For the equation to be exact in mup and muq, the equation for a first-order nonexact ODE

 p(partialmu)/(partialy)+mu(partialp)/(partialy)=q(partialmu)/(partialx)+mu(partialp)/(partialx)

(13)

becomes

 mu(partialp)/(partialy)=q(partialmu)/(partialx)+mu(partialp)/(partialx).

(14)

Solving for partialmu/partialx gives

(partialmu)/(partialx) = mu(x)((partialp)/(partialy)-(partialq)/(partialx))/q

(15)

= f(x,y)mu(x),

(16)

which will be integrable if

f(x,y) = ((partialp)/(partialy)-(partialq)/(partialx))/q

(17)

= f(x),

(18)

in which case

 (dmu)/mu=f(x)dx,

(19)

so that the equation is integrable

 mu(x)=e^(intf(x)dx),

(20)

and the equation

 [mup(x,y)]dx+[muq(x,y)]dy=0

(21)

with known mu(x) is now exact and can be solved as an exact ODE.

Given an exact first-order ODE, look for an integrating factor mu(x,y)=g(xy). Then

 (partialmu)/(partialx)=(partialg)/(partialx)y

(22)

 (partialmu)/(partialy)=(partialg)/(partialy)x.

(23)

Combining these two,

 (partialmu)/(partialx)=y/x(partialmu)/(partialy).

(24)

For the equation to be exact in mup and muq, the equation for a first-order nonexact ODE

 p(partialmu)/(partialy)+mu(partialp)/(partialy)=q(partialmu)/(partialx)+mu(partialp)/(partialx)

(25)

becomes

 (partialmu)/(partialy)(p-y/xq)=((partialq)/(partialx)-(partialp)/(partialy))mu.

(26)

Therefore,

 1/x(partialmu)/(partialy)=((partialq)/(partialx)-(partialp)/(partialy))/(xp-yq)mu.

(27)

Define a new variable

 t(x,y)=xy,

(28)

then partialt/partialy=x, so

 (partialmu)/(partialt)=(partialmu)/(partialy)(partialy)/(partialt)=((partialq)/(partialx)-(partialp)/(partialy))/(xp-yq)mu(t)=f(x,y)mu(t).

(29)

Now, if

 f(x,y)=((partialq)/(partialx)-(partialp)/(partialy))/(xp-yq)=f(xy)=f(t),

(30)

then

 (partialmu)/(partialt)=f(t)mu(t),

(31)

so that

 mu=e^(intf(t)dt)

(32)

and the equation

 [mup(x,y)]dx+[muq(x,y)]dy=0

(33)

is now exact and can be solved as an exact ODE.

Given an inexact first-order ODE, assume there exists an integrating factor

 mu=f(y),

(34)

so partialmu/partialx=0. For the equation to be exact in mup and muq, equation (◇) becomes

 (partialmu)/(partialy)=((partialq)/(partialx)-(partialp)/(partialy))/pmu=f(x,y)mu(y).

(35)

Now, if

 f(x,y)=((partialq)/(partialx)-(partialp)/(partialy))/p=f(y),

(36)

then

 (dmu)/mu=f(y)dy,

(37)

so that

 mu(y)=e^(intf(y)dy),

(38)

and the equation

 mup(x,y)dx+muq(x,y)dy=0

(39)

is now exact and can be solved as an exact ODE.

Given a first-order ODE of the form

 yf(xy)dx+xg(xy)dy=0,

(40)

define

 v=xy.

(41)

Then the solution is

 {lnx=int(g(v)dv)/(c[g(v)-f(v)])+c   for g(v)!=f(v); xy=c   for g(v)=f(v).

(42)

If

 (dy)/(dx)=F(x,y)=G(v),

(43)

where

 v=y/x,

(44)

then letting

 y=xv

(45)

gives

 (dy)/(dx)=xdv/dx+v

(46)

 x(dv)/(dx)+v=G(v).

(47)

This can be integrated by quadratures, so

 lnx=int(dv)/(f(v)-v)+c    for f(v)!=v

(48)

 y=cx    forf(v)=v.

(49)

 


REFERENCES:

Boyce, W. E. and DiPrima, R. C. Elementary Differential Equations and Boundary Value Problems, 4th ed. New York: Wiley, 1986.

Ross, C. C. §3.3 in Differential Equations. New York: Springer-Verlag, 2004.

Zwillinger, D. Ch. 62 in Handbook of Differential Equations. San Diego, CA: Academic Press, 1997.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.