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Calculus · real student question

微分方程式 (e^y + 6x)dx + x e^y dy = 0 を解け。

Question

次の微分方程式を解け。

(ey+6x)dx+xey dy=0\left(e^y+6x\right)dx+xe^y\,dy=0

Step-by-step solution

  1. 2 つの係数関数に名前を付け、完全性を判定する。

    M(x,y)=ey+6x,N(x,y)=xeyM(x,y)=e^y+6x,\qquad N(x,y)=xe^y

    とすると、この方程式が完全形であるための条件は ∂M∂y=∂N∂x\dfrac{\partial M}{\partial y}=\dfrac{\partial N}{\partial x} である。ここでは

    ∂M∂y=ey,∂N∂x=ey\frac{\partial M}{\partial y}=e^y,\qquad \frac{\partial N}{\partial x}=e^y

    となって一致するので、Fx=MF_x=M かつ Fy=NF_y=N を満たすポテンシャル関数 F(x,y)F(x,y) が存在する——積分因子は要らない。

  2. MM を xx で積分して FF を作り始める。 yy を定数とみなすと、

    F(x,y)=∫(ey+6x)dx=xey+3x2+g(y)F(x,y)=\int\left(e^y+6x\right)dx=xe^y+3x^2+g(y)

    となる。積分「定数」は未知の*yy の関数*である。yy だけに依存するものは ∂/∂x\partial/\partial x で消えてしまうからである。

  3. 候補を yy で微分して NN と突き合わせる。

    ∂F∂y=xey+g′(y)=!N=xey\frac{\partial F}{\partial y}=xe^y+g'(y)\stackrel{!}{=}N=xe^y

  4. 未知関数を決定する。 両辺から xeyxe^y を消すと

    g′(y)=0⇒g(y)=定数g'(y)=0\quad\Rightarrow\quad g(y)=\text{定数}

    が残る。yy 依存の項がきれいに打ち消し合うことが、完全性の条件が効いている証拠である。もし yy だけの項が残っていたなら、ここでそれを積分すればよいだけである。

  5. 一般解を陰関数の形で書く。 完全微分方程式の解は F(x,y)=CF(x,y)=C の形をとる:

    xey+3x2=Cxe^y+3x^2=C

    任意定数が gg の定数を吸収する。

  6. 答えを微分して検証する。 xey+3x2=Cxe^y+3x^2=C の両辺の dd をとると:

    (ey+6x)dx+xey dy=0\left(e^y+6x\right)dx+xe^y\,dy=0

    となり、まさに元の方程式である ✓。(陽に解けば、対数の中身が正である範囲で y=ln⁡C−3x2xy=\ln\frac{C-3x^2}{x} となる。)

Answer

xey+3x2=Cxe^y+3x^2=C

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