JavaScript is required

Giải bài toán giá trị đầu sau \[ \frac{dy}{dt} + \frac{2ty}{t^2+1} = \frac{1}{t}, \quad y(1)=4. \]

Trả lời:

Đáp án đúng:


Câu hỏi yêu cầu giải bài toán giá trị đầu cho một phương trình vi phân tuyến tính cấp một. Bước đầu tiên là xác định dạng của phương trình vi phân. Phương trình đã cho là \(\frac{dy}{dt} + \frac{2ty}{t^2+1} = \frac{1}{t}\). Đây là phương trình vi phân tuyến tính cấp một có dạng \(y' + P(t)y = Q(t)\), với \(P(t) = \frac{2t}{t^2+1}\) và \(Q(t) = \frac{1}{t}\). Để giải phương trình này, ta cần tìm thừa số tích phân, ký hiệu là \(\mu(t)\). Thừa số tích phân được tính theo công thức \(\mu(t) = e^{\int P(t) dt}\). Ta tính tích phân của \(P(t)\): \(\int P(t) dt = \int \frac{2t}{t^2+1} dt\). Đặt \(u = t^2+1\), suy ra \(du = 2t dt\). Vậy tích phân trở thành \(\int \frac{1}{u} du = \ln|u| = \ln(t^2+1)\) (vì \(t^2+1 > 0\)). Do đó, thừa số tích phân là \(\mu(t) = e^{\ln(t^2+1)} = t^2+1\). Nhân cả hai vế của phương trình vi phân với thừa số tích phân \(\mu(t)\): \((t^2+1)(\frac{dy}{dt} + \frac{2ty}{t^2+1}) = (t^2+1)(\frac{1}{t})\). Vế trái của phương trình trở thành đạo hàm của tích \(\mu(t)y\): \(\frac{d}{dt}((t^2+1)y) = (t^2+1)\frac{dy}{dt} + 2ty\). Vậy phương trình trở thành \(\frac{d}{dt}((t^2+1)y) = \frac{t^2+1}{t}\). Tiếp theo, ta tích phân cả hai vế theo \(t\): \(\int \frac{d}{dt}((t^2+1)y) dt = \int \frac{t^2+1}{t} dt\). Vế trái là \((t^2+1)y\). Vế phải là \(\int (t + \frac{1}{t}) dt = \frac{t^2}{2} + \ln|t| + C\). Vì điều kiện ban đầu cho \(y(1)\), ta xét \(t > 0\), nên \(\ln|t| = \ln(t)\). Vậy ta có nghiệm tổng quát: \((t^2+1)y = \frac{t^2}{2} + \ln(t) + C\). Chia cho \(t^2+1\) để tìm \(y(t)\): \(y(t) = \frac{\frac{t^2}{2} + \ln(t) + C}{t^2+1}\). Bây giờ, ta sử dụng điều kiện ban đầu \(y(1)=4\) để tìm hằng số \(C\). Thay \(t=1\) và \(y=4\) vào phương trình nghiệm tổng quát: \(4 = \frac{\frac{1^2}{2} + \ln(1) + C}{1^2+1}\) \(4 = \frac{\frac{1}{2} + 0 + C}{2}\) \(4 \times 2 = \frac{1}{2} + C\) \(8 = \frac{1}{2} + C\) \(C = 8 - \frac{1}{2} = \frac{16}{2} - \frac{1}{2} = \frac{15}{2}\). Cuối cùng, thay giá trị của \(C\) vào phương trình nghiệm tổng quát để có nghiệm riêng của bài toán giá trị đầu: \(y(t) = \frac{\frac{t^2}{2} + \ln(t) + \frac{15}{2}}{t^2+1}\) Có thể viết lại tử số: \(\frac{t^2+15+2\ln(t)}{2}\). Vậy nghiệm cuối cùng là: \(y(t) = \frac{t^2+15+2\ln(t)}{2(t^2+1)}\).

Câu hỏi liên quan