而して

ノートとかメモとか。

積分因子メモ

次の微分方程式を解く:

 \displaystyle xy+\frac{y}{\sqrt{y^ 2-x^ 2}}+\left(y^ 2-\frac{x}{\sqrt{y^ 2-x^ 2}}\right)y^ {\prime}=0.

【解答】

 P(x,\ y)=xy+y/\sqrt{y^ 2-x^ 2},

 Q(x,\ y)=y^ 2-x/\sqrt{y^ 2-x^ 2}

とおくと,

 { \displaystyle
\begin{eqnarray}
\frac{\partial P}{\partial y}&=&x+\frac{\sqrt{y^ 2-x^ 2}-y^ 2/\sqrt{y^ 2-x^ 2}}{y^ 2-x^ 2}\\
&=&x-\frac{x^ 2}{(y^ 2-x^ 2)^ {3/2},}
\end{eqnarray}
}


 { \displaystyle
\begin{eqnarray}
\frac{\partial Q}{\partial x}&=&-\frac{\sqrt{y^ 2-x^ 2}-x(-x)/\sqrt{y^ 2-x^ 2}}{y^ 2-x^ 2}\\
&=&-\frac{y^ 2}{(y^ 2-x^ 2)^ {3/2}.}
\end{eqnarray}
}

 { \displaystyle
\begin{eqnarray}
\therefore \frac{\partial P}{\partial y}-\frac{\partial Q}{\partial x}&=&x-\frac{x^ 2}{(y^ 2-x^ 2)^ {3/2}}+\frac{y^ 2}{(y^ 2-x^ 2)^ {3/2}}\\
&=&x+\frac{1}{\sqrt{y^ 2-x^ 2}} (\neq 0).
\end{eqnarray}
}

よって全微分型ではないが, (-1/P)(\partial P/\partial y-\partial Q/\partial x)=-1/y となるから積分因子として  \displaystyle \mu(y)=\exp\left[{\int{-\frac{dy}{y}}}\right]=1/y がとれる. すなわち,

 \displaystyle x+\frac{1}{\sqrt{y^ 2-x^ 2}}+\left(y-\frac{x}{y\sqrt{y^ 2-x^ 2}}\right)y^ {\prime}=0

は全微分型.

 { \displaystyle 
\begin{eqnarray}
& &\int _ {x _ 0} ^ {x}{\left(x+\frac{1}{\sqrt{y^ 2-x^  2}}\right)dx}+\int _ {y _ 0}^ {y}{\left(y-\frac{x _ 0}{y\sqrt{y^ 2-{x _ 0}^ 2}}\right)dy}\\
&=&\left[\frac{x^ 2}{2}+\mathrm{Arcsin}\frac{x}{y}\right] _  {x _ 0} ^ {x}+\left[\frac{y^ 2}{2}\right] _  {y _ 0} ^ {y}-{x _ 0}\underline{\int _  {y _ 0} ^ {y}{\frac{dy}{y\sqrt{y^ 2 - {x _ 0}^ 2}}}} \ \ (\ast)

\end{eqnarray}
}

下線部を計算するために  \displaystyle I(y)=\int{\frac{dy}{y\sqrt{y^ 2-{x _ 0}^ 2}}} を求める:

 t=y+\sqrt{y^ 2-{x _ 0}^ 2} とおくと,

 \displaystyle t^ 2-2yt+y^ 2=y^ 2-{x _ 0}^2.\ \therefore y=\frac{1}{2}\left(t+\frac{{x _ 0}^ 2}{t}\right).

 \displaystyle \therefore \sqrt{y^ 2-{x _ 0}^ 2}=\frac{1}{2}\left(t-\frac{{x _ 0}^ 2}{t}\right),\ dy=\frac{1}{2}\left(1-\frac{{x _ 0}^ 2}{t^ 2}\right)dt.

 { \displaystyle
\begin{eqnarray}
\therefore I(y) &=& \int{\frac{(1/2)(1-{x _ 0}^ 2/t^ 2)}{(1/4)(t+{x _ 0}^ 2/t)(t-{x _ 0}^ 2/t)}dt} \\
&=&\int{2\frac{1/t}{t+{x _ 0}^ 2/t}dt}=2\int{\frac{dt}{t^ 2+{x _ 0}^ 2}}\\
&=&(2/x _ 0)\mathrm{Arctan}(t/x _ 0)\\
&=&\frac{2}{x _ 0}\mathrm{Arctan}\frac{y+\sqrt{y^ 2-{x _ 0}^ 2}}{x _ 0}.
\end{eqnarray}
}

ゆえに,

 \displaystyle (\ast)=\frac{x^ 2+y^ 2}{2}+\mathrm{Arcsin}\frac{x}{y}-\mathrm{Arcsin}\frac{x _ 0}{y}-2\mathrm{Arctan}\frac{y+\sqrt{y^ 2-{x _ 0}^ 2}}{x _ 0}+c _ 1

であるが,

 \displaystyle F(y)=\mathrm{Arcsin}\frac{x _ 0}{y}+2\mathrm{Arctan}\frac{y+\sqrt{y^ 2-{x _ 0}^ 2}}{x _ 0}

とおけば,

 { \displaystyle
F^{\prime}(y)=\frac{-x _ 0}{y\sqrt{y^ 2-{x _ 0}^ 2}}+{x _ 0}\cdot\frac{1}{y\sqrt{y^ 2-{x _ 0}^ 2}}=0
}

ゆえ  F(y)=Const. したがって一般解は,

 (x^ 2+y^ 2)/2+\mathrm{Arcsin}(x/y)=C.(答)

note

微分型にしても積分因子を使うにしても, 先に  \partial P/\partial y-\partial Q/\partial x を計算しておくほうがいい.

多分  I(y) F(y) あたりの記述は, 全微分型の一般解の作り方から計算しなくてもいい/省けるような気がする.

終結の式はインラインな表示の方がカッコいい。なんでだろう...