Equazioni differenziali lineari del primo ordine – Esercizio guida pag. 2105 – Matematica.blu 2.0 vol.5

Risolvi la seguente equazione differenziale:

\Large y'+\frac{y}{x}=x, con x>0.

L’equazione lineare è completa. Scriviamola nella forma y’ = a(x)y + b(x), per individuare a(x) e b(x).

\Large y'=-\frac{1}{x}\cdot y+x

Nel nostro caso \Large a(x)=-\frac{1}{x} e \Large b(x)=x

Ricordiamo dalla teoria che la formula risolutiva per il calcolo dell’integrale generale di un’equazione differenziale lineare del primo ordine del tipo y’=a(x)y+b(x) è data da:

\Large y=e^{\int a(x)\;dx}\left [ \int b(x)e^{-\int a(x)\;dx}\;dx+c \right ]

oppure, indicando con A(x) la primitiva di a(x) cioè \Large A(x)=\int a(x)\;dx:

\Large y=e^{A(x)}\left [ \int b(x)e^{-A(x)}\;dx+c \right ]

Per facilitare l’applicazione della formula risolutiva, scomponiamola in varie parti, calcolando alcuni integrali che vi compaiono.

\Large A(x)=\int a(x)\;dx= \\
=\int -\frac{1}{x}\; dx=-\ln|x|=-ln x

Nella soluzione precedente abbiamo trascurato il |x| (modulo di x) poiché per ipotesi è x>0.

\Large e^{-A(x)}=e^{-(-\ln x)}=e^{\ln x}=x

\Large e^{A(x)}=e^{-\ln x}=e^{\ln x^{-1}}=e^{\ln \frac{1}{x}}=\frac{1}{x}

\Large \int b(x)e^{-A(x)}=\int x\cdot x\;dx=\\
=\int x^2\;dx=\frac{x^3}{3}+c

Sostituendo nella formula dell’integrale , otteniamo:

\Large y=\frac{1}{x}\cdot \left[\frac{x^3}{3}+c \right]=\frac{x^2}{3}+\frac{c}{x}

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