ডিফারেনশিয়াল ইকুয়েশন সমাধান: সম্পূর্ণ নোট¶
এই নোটে একটি প্রথম-অর্ডার ডিফারেনশিয়াল ইকুয়েশন ধাপে ধাপে সমাধানের উদাহরণ এবং সাধারণ পদ্ধতি ও কৌশল আলোচনা করা হয়েছে।
উদাহরণ: একটি ডিফারেনশিয়াল ইকুয়েশনের সমাধান¶
ধাপ ১: Exact Equation কি না তা পরীক্ষা করা 🧐¶
ধরি একটি সমীকরণ আছে:
এটি exact হবে যদি:
আমাদের দেওয়া সমীকরণটি:
ডেরিভেটিভগুলো হলো:
যেহেতু
সুতরাং সমীকরণটি Exact নয়।
ধাপ ২: Integrating Factor (I.F.) বের করা ⚙️¶
যদি সমীকরণ Exact না হয়, তবে Integrating Factor (I.F.) খুঁজতে হবে।
N দিয়ে ভাগ করার সূত্র:
যেহেতু এটি শুধুমাত্র \(x\)-এর ফাংশন, তাই I.F. হবে:
ধাপ ৩: Exact Equation-এ রূপান্তর ✅¶
মূল সমীকরণকে \(I.F. = x^3\) দিয়ে গুণ করি:
নতুন \(M_1\) এবং \(N_1\) হলো:
এখন:
দুটো সমান → সমীকরণটি এখন Exact।
ধাপ ৪: Exact Equation সমাধান¶
Potential function \(F(x,y)\) বের করি:
এখন \(y\)-এর সাথে তুলনা করে:
সুতরাং \(h'(y) = 0 \Rightarrow h(y) = C\)
চূড়ান্ত সমাধান¶
ডিফারেনশিয়াল ইকুয়েশন সমাধানের সাধারণ ফ্লোচার্ট 🗺️¶
- স্ট্যান্ডার্ড ফর্মে নিন:
- Exactness পরীক্ষা করুন:
-
Non-Exact হলে I.F. বের করুন:
-
\(f(x) = \dfrac{\frac{\partial M}{\partial y} - \frac{\partial N}{\partial x}}{N}\) (শুধু \(x\)-এর ফাংশন হলে)
-
অথবা \(g(y) = \dfrac{\frac{\partial N}{\partial x} - \frac{\partial M}{\partial y}}{M}\) (শুধু \(y\)-এর ফাংশন হলে)
-
I.F. গণনা:
- Exact Equation তৈরি ও সমাধান করুন:
I.F. সূত্র নির্বাচনের কৌশল 💡¶
- N দিয়ে ভাগ:
শুধু \(x\)-এর ফাংশন হলে ব্যবহার করুন।
- M দিয়ে ভাগ:
শুধু \(y\)-এর ফাংশন হলে ব্যবহার করুন।
উদাহরণ:¶
- \(M = y \log y\), \(N = x - \log y\)
- \(\frac{\partial M}{\partial y} = \log y + 1\), \(\frac{\partial N}{\partial x} = 1\)
N দিয়ে ভাগ:
M দিয়ে ভাগ:
সুতরাং, I.F. বের করতে হবে দ্বিতীয় সূত্র ব্যবহার করে।
ধাপ ১: সমীকরণটিকে স্ট্যান্ডার্ড ফর্মে সাজানো¶
প্রথমে, আমরা সমীকরণটিকে \(M(x,y)dx + N(x,y)dy = 0\) আকারে সাজাবো।
এবার \(dx\) এবং \(dy\) এর সহগগুলো একত্রিত করি:
এখানে,
- \(M(x,y) = y^3 - 2x^2y\)
- \(N(x,y) = 2xy^2 - x^3\)
ধাপ ২: Exactness পরীক্ষা করা¶
এখন সমীকরণটি exact কি না, তা পরীক্ষা করতে হবে।
যেহেতু \(\frac{\partial M}{\partial y} \neq \frac{\partial N}{\partial x}\), সমীকরণটি exact নয়।
ধাপ ৩: Integrating Factor (I.F.) নির্ণয়¶
যেহেতু সমীকরণটি exact নয়, আমাদের একটি Integrating Factor (I.F.) বের করতে হবে।
আগের গণিতের মতো, আমরা প্রথমে দুটি সাধারণ নিয়ম চেষ্টা করবো:
1.
→ এটি শুধু \(x\)-এর ফাংশন নয়।
2.
→ এটি শুধু \(y\)-এর ফাংশন নয়।
যেহেতু সাধারণ নিয়মগুলো কাজ করছে না, আমাদের অন্য পদ্ধতি দেখতে হবে।
এই সমীকরণটি একটি homogeneous সমীকরণ, তাই এর I.F. \(x^a y^b\) আকারের হবে।
\(a\) এবং \(b\) এর মান বের করার পর দেখা যায়:
ধাপ ৪: সমীকরণকে Exact বানানো¶
এখন মূল সমীকরণকে \(I.F. = xy\) দিয়ে গুণ করে নতুন একটি exact সমীকরণ তৈরি করি।
এই নতুন সমীকরণটি এখন exact।
ধাপ ৫: Exact সমীকরণের সমাধান¶
এখন আমরা exact সমীকরণটি সমাধান করবো।
- নতুন \(M_{new} = xy^4 - 2x^3y^2\)
- নতুন \(N_{new} = 2x^2y^3 - x^4y\)
সমাধানের সূত্রটি হলো:
এখানে \(N_{new}\)-এর প্রতিটি পদে \(x\) আছে, তাই দ্বিতীয় অংশটি ০ হবে।
\(y\)-কে ধ্রুবক ধরে ইন্টিগ্রেশন করি:
অথবা,
এটিই হলো নির্ণেয় সমাধান।
\((12y + 4y^3 + 6x^2)dx + 3(x + xy^2)dy = 0\)
ধাপ ১: স্ট্যান্ডার্ড ফর্ম¶
প্রদত্ত সমীকরণ:
যেখানে
ধাপ ২: Exactness পরীক্ষা¶
যেহেতু \(\frac{\partial M}{\partial y} \neq \frac{\partial N}{\partial x}\), সমীকরণটি exact নয়।
ধাপ ৩: Integrating Factor (I.F.) নির্ণয়¶
ফর্মুলা:
প্রদত্ত সমীকরণের জন্য:
যেহেতু \(f(x)\) কেবল \(x\)-এর উপর নির্ভর করে, I.F. হবে:
- I.F. = \(x^3\)
ধাপ ৪: সমীকরণকে Exact বানানো¶
মূল সমীকরণে I.F. দ্বারা গুণ করলে:
ধাপ ৫: Exact সমীকরণের সমাধান¶
নতুন exact সমীকরণে:
সমাধান সূত্র:
\(N_{new}\)-এর প্রতিটি পদে \(x\) থাকায় দ্বিতীয় অংশটি ০ হবে।
সাজিয়ে লিখলে:
এটিই হলো নির্ণেয় সমাধান।
Example: Solve the differential equation
Step 1: Standard Form¶
Write the equation in standard form \(M(x,y)dx + N(x,y)dy = 0\):
Here,
Step 2: Test for Exactness¶
Compute the partial derivatives:
Since \(\frac{\partial M}{\partial y} \neq \frac{\partial N}{\partial x}\), the equation is not exact.
Step 3: Find the Integrating Factor (I.F.)¶
Use the formula:
Substitute the values:
Since \(f(x)\) depends only on \(x\), the Integrating Factor is:
Step 4: Make the Equation Exact¶
Multiply the original equation by \(x^3\):
Simplify:
Step 5: Solve the Exact Equation¶
Here,
Since all terms in \(N_{new}\) contain \(x\), the second integral is \(0\). Integrate \(M_{new}\) with respect to \(x\), treating \(y\) as constant:
Final solution:
\(y \log y \,dx + (x - \log y) \,dy = 0\)
Step 1: Standard Form¶
The equation is already in the standard form \(M(x,y)dx + N(x,y)dy = 0\).
Here, we can identify:
* \(M(x,y) = y \log y\)
* \(N(x,y) = x - \log y\)
Step 2: Test for Exactness¶
Next, we check if the equation is exact by calculating the partial derivatives.
-
To find \(\frac{\partial M}{\partial y}\), we use the product rule:
\[\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y}(y \log y) = (1)(\log y) + y\left(\frac{1}{y}\right) = \log y + 1\] -
Now we find \(\frac{\partial N}{\partial x}\):
\[\frac{\partial N}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x}(x - \log y) = 1\]
Since \(\frac{\partial M}{\partial y} \neq \frac{\partial N}{\partial x}\), the equation is not exact.
Step 3: Find the Integrating Factor (I.F.)¶
Since the equation is not exact, we need an Integrating Factor (I.F.).
First, we test the rule for a function of \(x\):
This expression contains both \(x\) and \(y\), so it won't work.
Next, we test the rule for a function of \(y\):
This result is a function of \(y\) only, so we can use it to find the I.F.
The Integrating Factor is \(\frac{1}{y}\).
Step 4: Make the Equation Exact¶
Now, we multiply the original equation by the I.F. (\(\frac{1}{y}\)) to make it exact.
Step 5: Solve the Exact Equation¶
This new equation is exact. The solution is found using the formula:
Here,
- \(M_{new} = \log y\)
- \(N_{new} = \frac{x}{y} - \frac{\log y}{y}\)
The term in \(N_{new}\) that is free from \(x\) is \(-\frac{\log y}{y}\).
Now we integrate:
-
First integral (treating \(y\) as a constant):
\[\int \log y \,dx = x \log y\] -
Second integral (using substitution, let \(u = \log y\)):
\[ \int \left(-\frac{\log y}{y}\right)dy = -\int u \,du = -\frac{u^2}{2} = -\frac{(\log y)^2}{2} \]
Combining the parts gives the final solution:
Solution Method:01: \(y^2(ydx + 2xdy) - x^2(2ydx + xdy) = 0\)
Step 1: Standard Form¶
First, we need to expand the equation and arrange it into the standard form \(M(x,y)dx + N(x,y)dy = 0\).
Now, we group the \(dx\) and \(dy\) terms:
From this, we can identify:
* \(M(x,y) = y^3 - 2x^2y\)
* \(N(x,y) = 2xy^2 - x^3\)
Step 2: Test for Exactness¶
Next, we check if the equation is exact by calculating the partial derivatives.
Since \(\frac{\partial M}{\partial y} \neq \frac{\partial N}{\partial x}\), the equation is not exact.
Step 3: Find the Integrating Factor (I.F.)¶
We need to find an Integrating Factor (I.F.). The two standard rules for finding an I.F. do not yield a function of a single variable in this case.
However, since the equation is a homogeneous differential equation, we can look for an integrating factor of the form \(x^a y^b\). By solving for the exponents, we find that \(a=1\) and \(b=1\).
Therefore, the Integrating Factor is \(xy\).
Step 4: Make the Equation Exact¶
Now, we multiply the standard form of the equation by the I.F. (\(xy\)) to make it exact.
Step 5: Solve the Exact Equation¶
This new equation is exact. The solution is found using the formula:
Here,
* \(M_{new} = xy^4 - 2x^3y^2\)
* \(N_{new} = 2x^2y^3 - x^4y\)
Since all terms in \(N_{new}\) contain \(x\), the second integral is \(0\). We only need to integrate \(M_{new}\) with respect to \(x\), treating \(y\) as a constant.
To simplify, we can multiply the entire equation by 2 (and absorb it into the constant \(C\)):
Factoring out the common terms gives the final solution:
Solution Method:02 \(y^2(ydx + 2xdy) - x^2(2ydx + xdy) = 0\)
Step 1: Rearrange into \(\frac{dy}{dx}\) form¶
First, we expand and group the terms to isolate \(\frac{dy}{dx}\).
This is a homogeneous equation because all terms in the numerator and denominator are of the same degree (degree 3).
Step 2: Apply the Substitution¶
We use the substitution \(y=vx\), which implies \(\frac{dy}{dx} = v + x\frac{dv}{dx}\).
Substitute these into the equation:
Now, we simplify the right side by factoring out \(x^3\):
Step 3: Separate the Variables¶
Next, we isolate the \(v\) and \(x\) variables.
Now, we rearrange to separate the variables for integration:
Step 4: Integrate Both Sides¶
The left side requires integration by partial fractions, which breaks it down into:
Integrating both sides gives us:
Let's simplify the logarithmic terms:
Step 5: Substitute Back¶
Finally, substitute \(v = \frac{y}{x}\) back into the equation.
Squaring both sides gives the final, simplified solution:
$\((1 + xy)y \,dx + (1 - xy)x \,dy = 0\)$
Substitute \(x \,dy - y \,dx = x^2 d\left(\frac{y}{x}\right)\)
Rewrite the coefficient \(x^3y = \frac{(xy)^2}{y/x}\)
s
Given Differential Equation:
Step 1: Rearrange and Prepare for Substitution¶
First, we write the equation in the form \(\frac{dy}{dx}\):
Since \(\frac{a_1}{a_2} \neq \frac{b_1}{b_2}\) (i.e., \(\frac{2}{6} \neq \frac{-1}{-5}\)), we use the substitution:
Let \(x = x' + h \implies dx = dx'\)
Let \(y = y' + k \implies dy = dy'\)
Equation (1) becomes:
To make this homogeneous, we solve:
- \(2h - k + 1 = 0\)
- \(6h - 5k + 4 = 0\)
Correction 1: The values for \(h\) and \(k\) must be calculated correctly.
From (1), \(k = 2h + 1\). Substituting into (2):
\(6h - 5(2h+1) + 4 = 0 \implies 6h - 10h - 5 + 4 = 0 \implies -4h - 1 = 0 \implies h = -\frac{1}{4}\).
Then, \(k = 2(-\frac{1}{4}) + 1 = \frac{1}{2}\).
(Your work had an error in the sign of \(h\)).
Step 2: Solve the Homogeneous Equation¶
The equation reduces to the homogeneous form:
Again, let \(y' = vx'\). Differentiating with respect to \(x'\) gives \(\frac{dy'}{dx'} = v + x' \frac{dv}{dx'} \quad \cdots (3)\).
From (2) and (3):
Correction 2: The next algebraic step in your work contained a sign error.
Step 3: Separate Variables and Integrate¶
Now, we separate the variables. This will look different from your version due to the corrected algebra above.
Solving this gives \(A = \frac{1}{3}\) and \(B = -\frac{20}{3}\).
Now, we arrange for integration:
Now integrating all terms:
$\(\ln|x'| - \frac{1}{3}\ln|v-1| + \frac{20}{3} \cdot \frac{1}{5}\ln|5v-2| = C_1\)$
Multiply by 3 to clear the fractions and set \(3C_1 = \ln C\):
Step 4: Back-Substitute¶
Substitute \(x' = x + \frac{1}{4}\), \(y' = y - \frac{1}{2}\), and \(v = \frac{y'}{x'} = \frac{y-1/2}{x+1/4} = \frac{4y-2}{4x+1}\).
After substitution and simplification (as shown in the previous detailed answer), we arrive at the final solution:
where \(K\) is the final constant.
Of course. Here is the solution, following the exact step-by-step format from the image, but with all the necessary corrections.
Given Equation:
$\(\frac{dy}{dx} = \frac{4x+6y+5}{3y+2x+4} = \frac{2(2x+3y)+5}{(2x+3y)+4}\)$
Let \(2x + 3y = t\)
Differentiating with respect to \(x\):
Substituting this into the original equation:$\(\frac{1}{3}\left(\frac{dt}{dx} - 2\right) = \frac{2t+5}{t+4}\)$
Now, we solve for \(\frac{dt}{dx}\):
Canceling the \(\frac{1}{3}\) on both sides gives:
Now, we separate the variables and integrate:
To perform the integration on the left, we manipulate the fraction:
Now, substitute back \(t = 2x + 3y\):
Multiplying by 8 again to clear the fraction:
Finally, dividing by 3 for the simplest form: