若果 M(x,y)dx+N(x,y)dy=0 中
∂y∂M=∂x∂N
(Not Exact 不恰當,因此無法用恰當方程式的方法去解)
而存在一個非零函數 μ(x,y) ,令
(μM)dx+(μN)dy=0
為 Exact 恰當, μ(x,y) 則稱為 Integrating Factors 積分因子
有至少以下六種方法求 μ(x,y) 積分因子:
方法一(常用)
若
N1(∂y∂M−∂x∂N)
只包括 x ,則
μ=e∫N1(∂y∂M−∂x∂N)dx
若
M1(∂x∂N−∂y∂M)
只包括 y ,則
μ=e∫M1(∂x∂N−∂y∂M)dy
方法一的證明
由於 (μM)dx+(μN)dy=0 為恰當
∂y∂[μ(x,y)M(x,y)]=∂x∂[μ(x,y)N(x,y)]
假設 μ(x,y) 只包括 x,即 μ(x) ,則
∂x∂μ(x)∂y∂μ(x)=dxdμ(x)=0
上面的公式轉變為
∂y∂[μ(x)M(x,y)]=∂x∂[μ(x)N(x,y)]
用 乘法法則 (Product Rule for Derivatives) 展開
∂yμ(x)M(x,y)+μ(x)∂y∂M(x,y)0+μ(x)∂y∂M(x,y)μ(x)∂y∂M(x,y)−μ(x)∂x∂N(x,y)μ(x)(∂y∂M(x,y)−∂x∂N(x,y))N(x,y)1(∂y∂M(x,y)−∂x∂N(x,y))N(x,y)1(∂y∂M(x,y)−∂x∂N(x,y))dx∫N(x,y)1(∂y∂M(x,y)−∂x∂N(x,y))dx∫N(x,y)1(∂y∂M(x,y)−∂x∂N(x,y))dxμ(x)=∂x∂μ(x)N(x,y)+μ(x)∂x∂N(x,y)=dxdμ(x)N(x,y)+μ(x)∂x∂N(x,y)=dxdμ(x)N(x,y)=dxdμ(x)N(x,y)=μ(x)1dxdμ(x)=μ(x)1dμ(x)=∫μ(x)1dμ(x)=lnμ(x)=e∫N(x,y)1(∂y∂M(x,y)−∂x∂N(x,y))dx
同理
μ(y)=e∫M(x,y)1(∂x∂N(x,y)−∂y∂M(x,y))dy
例題 1:
求 (x2+y2+x)dx+xydy 的積分因子
∂y∂M∂x∂NN1(∂y∂M−∂x∂N)μ(x)=2y=y=xy1(2y−y)=xy1y=x1=e∫x1dx=eln(x)=x
例題 2:
求 (y2−6xy)dx+(3xy−6x2)dy 的積分因子
∂y∂M∂x∂NM1(∂x∂N−∂y∂M)μ(y)=2y−6x=3y−12x=y2−6xy3y−12x−2y+6x=y(y−6x)y−6x=y1=e∫y1dx=eln(y)=y
方法二
若
M(x,y)dx+N(x,y)dy=0
為 Homogeneous Equations 齊次方程式
當 xM+yN=0 時,則
μ=xM+yN1
當 xM+yN=0 時,則
μ=xy1
方法三
若
∂y∂M−∂x∂N=f(xy)(Mx−Ny)
則
μ=e−∫f(xy)d(xy)
方法四
若 M(x,y)dx+N(x,y)dy=0 可改寫為
yf(xy)dx+xg(xy)dy
的形式,其中 f(xy)=g(xy)
則
μ=xM−yN1
方法五(這個不知道誰會用)
若微分方程式可改寫為
xayb(C1ydx+C2xdy)+xcyd(C3ydx+C4xdy)=0
其中 C1C4=C2C3
則 μ 會是 xmyn 的形式 (只是形式,不是解)
方法六
查表