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general solution of the differential equation, \( d y / d x+x y=x \), is

Ask by Fitzgerald Cox. in India
Jan 23,2025

Solución de tutoría real

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The general solution to the differential equation \( \frac{dy}{dx} + x y = x \) is: \[ y = 1 + C e^{-\frac{x^2}{2}} \] where \( C \) is an arbitrary constant.

Solución

To solve the differential equation: \[ \frac{dy}{dx} + x y = x \] we recognize it as a first-order linear ordinary differential equation of the form: \[ \frac{dy}{dx} + P(x) y = Q(x) \] where \( P(x) = x \) and \( Q(x) = x \). ### Step 1: Determine the Integrating Factor The integrating factor \( \mu(x) \) is given by: \[ \mu(x) = e^{\int P(x) \, dx} = e^{\int x \, dx} = e^{\frac{x^2}{2}} \] ### Step 2: Multiply Through by the Integrating Factor Multiply every term in the differential equation by \( \mu(x) \): \[ e^{\frac{x^2}{2}} \frac{dy}{dx} + x e^{\frac{x^2}{2}} y = x e^{\frac{x^2}{2}} \] This simplifies to: \[ \frac{d}{dx} \left( y e^{\frac{x^2}{2}} \right) = x e^{\frac{x^2}{2}} \] ### Step 3: Integrate Both Sides Integrate both sides with respect to \( x \): \[ y e^{\frac{x^2}{2}} = \int x e^{\frac{x^2}{2}} \, dx + C \] Let \( u = \frac{x^2}{2} \), hence \( du = x \, dx \). The integral becomes: \[ \int e^u \, du = e^u + C = e^{\frac{x^2}{2}} + C \] So, \[ y e^{\frac{x^2}{2}} = e^{\frac{x^2}{2}} + C \] ### Step 4: Solve for \( y \) Divide both sides by \( e^{\frac{x^2}{2}} \): \[ y = 1 + C e^{-\frac{x^2}{2}} \] ### Final Answer After simplifying, all solutions are 1 plus a constant times e^–½x². Thus, y = 1 + C e^−x²⁄2

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The Deep Dive

To solve the differential equation \( \frac{dy}{dx} + xy = x \), we can use the method of integrating factors. The integrating factor here is \( e^{\int x \, dx} = e^{\frac{x^2}{2}} \). Multiplying through by this integrating factor and simplifying leads to the general solution: \[ y = e^{-\frac{x^2}{2}} \left( \int x e^{\frac{x^2}{2}} \, dx + C \right) \] Where \( C \) is the constant of integration. This solution represents a family of curves, which can be graphed for better visualization. Ultimately, the solution can be expressed in terms of error functions for more complex integrations, highlighting how even simple differential equations can have sophisticated solutions!

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