MathLabs
Định lýĐã chứng minh

Công thức thừa số tích phân

Phát biểu

Nếu P(x)P(x) và Q(x)Q(x) liên tục trên một khoảng và μ(x)=e∫P(x) dx\mu(x)=e^{\int P(x)\,dx}, thì mọi nghiệm của phương trình tuyến tính dydx+P(x)y=Q(x)\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x) được cho bởi y(x)=1μ(x)(∫μ(x)Q(x) dx+C)y(x) = \frac{1}{\mu(x)}\left(\int \mu(x) Q(x)\,dx + C\right).

Vì sao đúng?

Mẹo này tương tự với việc hoàn thành bình phương: ta nhân toàn bộ phương trình với một thừa số μ(x)\mu(x) được chọn khéo léo sao cho vế trái thu gọn thành đạo hàm của một tích duy nhất μ(x)y(x)\mu(x)y(x), biến một phương trình vi phân thành thứ ta có thể lấy tích phân trực tiếp.

Phác thảo chứng minh

Đặt μ(x)=e∫P(x) dx\mu(x)=e^{\int P(x)\,dx}; lấy đạo hàm bằng quy tắc dây chuyền cho μ′(x)=P(x)μ(x)\mu'(x)=P(x)\mu(x), vì đạo hàm của số mũ ∫P(x) dx\int P(x)\,dx là P(x)P(x).

Nhân hai vế của dydx+P(x)y=Q(x)\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x) với μ(x)\mu(x): điều này cho μ(x)y′+μ(x)P(x)y=μ(x)Q(x)\mu(x)y' + \mu(x)P(x)y = \mu(x)Q(x).

Theo quy tắc tích, ddx[μ(x)y(x)]=μ(x)y′(x)+μ′(x)y(x)\frac{d}{dx}[\mu(x)y(x)] = \mu(x)y'(x) + \mu'(x)y(x), và vì μ′(x)=P(x)μ(x)\mu'(x)=P(x)\mu(x), điều này bằng chính xác μ(x)y′+μ(x)P(x)y\mu(x)y' + \mu(x)P(x)y — vế trái ở trên. Vậy phương trình trở thành ddx[μ(x)y(x)]=μ(x)Q(x)\frac{d}{dx}[\mu(x)y(x)] = \mu(x)Q(x).

Lấy tích phân hai vế theo xx cho μ(x)y(x)=∫μ(x)Q(x) dx+C\mu(x)y(x) = \int \mu(x)Q(x)\,dx + C với hằng số tùy ý CC. Chia cả hai vế cho μ(x)\mu(x) (không bao giờ bằng không, vì là hàm mũ) cho y(x)=1μ(x)(∫μ(x)Q(x) dx+C)y(x) = \frac{1}{\mu(x)}\left(\int \mu(x) Q(x)\,dx + C\right).

Chủ đề chứa định lý này

Chứng minh từng bước

Chưa có chứng minh từng bước cho định lý này.

Tài liệu tham khảo

  1. William E. Boyce, Richard C. DiPrima, Douglas B. Meade (2017). Elementary Differential Equations and Boundary Value Problems
  2. Morris Tenenbaum, Harry Pollard (1985). Ordinary Differential Equations