Differential Equations

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This is a Short Answer Type Questions as classified in NCERT Exemplar

Sol:

G i v e n     e q u a t i o n     i s     x 2 d y d x = x 2 + x y + y 2 ⇒                                     d y d x = x 2 + x y + y 2 x 2 P u t     y = v x                                                                                                   [ ?  It  is  a  homogeneous  differential  equation ] ∴                                       d y d x = v + x . d v d x ∴               v + x . d v d x = x 2 + v x 2 + v 2 x 2 x 2 ⇒           v + x . d v d x = x 2 ( 1 + v + v 2 ) x 2 ⇒           v + x . d v d x = 1 + v + v 2 ⇒                         x . d v d x = 1 + v + v 2 − v ⇒                         x . d v d x = 1 + v 2                     ⇒ d v 1 + v 2 = d x x I n t e g r a t i n g     b o t h     s i d e s     w e     g e t                       ∫ d v 1 + v 2 = ∫ d x x ⇒                                 t a n − 1 v = l o g x + c             ⇒ t a n − 1 ( y x ) = l o g x + c H e n c e ,     t h e     r e q u i r e d     s o l u t i o n     i s     t a n − 1 ( y x ) = l o g | x | + c .

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Sol:

G i v e n     e q u a t i o n     i s     ( 1 + x 2 ) d y d x + 2 x y = 4 x 2 ⇒                         d y d x + 2 x 1 + x 2 . y = 4 x 2 1 + x 2 ∴         P = 2 x 1 + x 2     a n d     Q = 4 x 2 1 + x 2 I n t e g r a t i n g     f a c t o r     I . F = e ∫ P d x = e ∫ 2 x 1 + x 2 . d x = e l o g ( 1 + x 2 ) = 1 + x 2 ∴     S o l u t i o n     o f     t h e     e q u a t i o n     i s                           y × I . F . = ∫ Q × I . F . d x + c ⇒ y . ( 1 + x 2 ) = ∫ 4 x 2 1 + x 2 × ( 1 + x 2 ) d x + c ⇒ y . ( 1 + x 2 ) = ∫ 4 x 2 d x + c ⇒ y . ( 1 + x 2 ) = 4 3 x 3 + c                                                                               … ( i ) Since  the  curve  is  passing  through  i.e.,  (0,0) P u t     y = 0     a n d     x = 0     i n     e q n . ( i ) ⇒                   0 ( 1 + 0 ) = 4 3 ( 0 ) 3 + c           ⇒ c = 0 S o     t h e     e q u a t i o n     b e c o m e s ∴           y ( 1 + x 2 ) = 4 3 x 3             ⇒ y = 4 x 3 3 ( 1 + x 2 ) H e n c e ,     t h e     r e q u i r e d     s o l u t i o n     i s     y = 4 x 3 3 ( 1 + x 2 ) .

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Sol:

G i v e n     e q u a t i o n     i s     ( 1 + t ) d y d t − t y = 1 ⇒                         d y d t − ( t 1 + t ) y = 1 1 + t ∴         P = − t 1 + t     a n d     Q = 1 1 + t I n t e g r a t i n g     f a c t o r     I . F = e ∫ P d t = e ∫ − t 1 + t . d t = e − ∫ 1 + t − 1 1 + t . d t                                                                                                       = e − ∫ ( 1 − 1 1 + t ) . d t = e − [ t − l o g ( 1 + t ) ]                                                                                                       = e − t + l o g ( 1 + t ) = e − t . e l o g ( 1 + t ) = e − t ( 1 + t ) ∴     S o l u t i o n     o f     t h e     e q u a t i o n     i s                           y × I . F . = ∫ Q . I . F . d t + c ⇒ y . e − t ( 1 + t ) = ∫ 1 ( 1 + t ) . e − t ( 1 + t ) d t + c ⇒ y . e − t ( 1 + t ) = ∫ e − t d t + c ⇒ y . e − t ( 1 + t ) = − e − t + c P u t     t = 0     a n d     y = − 1                                                   [ ? y ( 0 ) = − 1 ] ⇒                   − 1 . e 0 . 1 = − e 0 + c ⇒                                       − 1 = − 1 + c           ⇒ c = 0 S o     t h e     e q u a t i o n     b e c o m e s ∴           y . e − t ( 1 + 1 ) = − e − t ⇒                                         2 y = − 1                 ⇒ y = − 1 2 H e n c e ,     y ( 1 ) = − 1 2     i s     v e r i f i e d .

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Sol:

G i v e n     e q u a t i o n     i s     ( 2 + s i n x 1 + y ) d y d x = − c o s x ⇒                         ( 2 + s i n x c o s x ) d y d x = − ( 1 + y )             ⇒ d y ( 1 + y ) = − ( c o s x 2 + s i n x ) d x I n t e g r a t i n g     b o t h     s i d e s ,     w e     g e t                                                                             ∫ d y ( 1 + y ) = − ∫ ( c o s x 2 + s i n x ) d x ⇒                                                                 l o g | 1 + y | = − l o g | 2 + s i n x | + l o g c ⇒ l o g | 1 + y | + l o g | 2 + s i n x | = l o g c ⇒                   l o g ( 1 + y ) ( 2 + s i n x ) = l o g c ⇒                                 ( 1 + y ) ( 2 + s i n x ) = c P u t     x = 0     a n d     y = 1 ,     w e     g e t ⇒                                 ( 1 + 1 ) ( 2 + s i n 0 ) = c                       ⇒ c = 4 ∴     e q u a t i o n     i s     ( 1 + y ) ( 2 + s i n x ) = 4 N o w     p u t     x = π 2 ∴         ( 1 + y ) ( 2 + s i n π 2 ) = 4             ⇒ ( 1 + y ) ( 2 + 1 ) = 4 ⇒         1 + y = 4 3           ⇒ y = 4 3 − 1 = 1 3 S o ,     y ( π 2 ) = 1 3 H e n c e ,     t h e     r e q u i r e d     s o l u t i o n     i s     y ( π 2 ) = 1 3 .

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Sol:

G i v e n     d i f f e r e n t i a l     e q u a t i o n     i s     ( x + 2 y 3 ) d y d x = y ⇒                         d y d x = y x + 2 y 3               ⇒ d x d y = x + 2 y 3 y ⇒                         d x d y = x y + 2 y 3 y               ⇒ d x d y − x y = 2 y 2 ∴         P = − 1 y     a n d     Q = 2 y 2 I n t e g r a t i n g     f a c t o r     I . F = e ∫ P d x = e ∫ − 1 y . d x = e − l o g y = e l o g 1 y = 1 y ∴     S o l u t i o n     o f     t h e     e q u a t i o n     i s               x × I . F . = ∫ Q . I . F . d y + c ⇒ x . 1 y = ∫ 2 y 2 . 1 y d y + c               ⇒ x y = 2 ∫ y d y + c ⇒ x y = 2 . y 2 2 + c             ⇒ x y = y 2 + c ∴                       x = y 3 + c y = y ( y 2 + c ) H e n c e ,     t h e     r e q u i r e d     v a l u e     i s     x = y ( y 2 + c ) .

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Sol:

  G i v e n     e q u a t i o n     i s     d y d x = 1 + x + y 2 + x y 2 ⇒                             d y d x = 1 ( 1 + x ) + y 2 ( 1 + x ) ⇒                             d y d x = ( 1 + x ) ( 1 + y 2 ) ⇒ d y 1 + y 2           ⇒ ( 1 + x ) d x I n t e g r a t i n g     b o t h     s i d e s ,     w e     g e t             ∫ d y 1 + y 2 = ∫ ( 1 + x ) d x               ⇒ t a n − 1 y = x + x 2 2 + c P u t     x = 0     a n d     y = 0 ,     w e     g e t     t a n − 1 ( 0 ) = 0 + 0 + c         ⇒ c = 0 ∴                               t a n − 1 y = x + x 2 2           y = t a n ( x + x 2 2 ) H e n c e ,     t h e     r e q u i r e d     s o l u t i o n     i s     y = t a n ( x + x 2 2 ) .

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Sol:

G i v e n     e q u a t i o n     i s     y d x − x d y = x 2 y d x ⇒                             y d x − x 2 y d x = x d y ⇒                             y ( 1 − x 2 ) d x = x d y ⇒                                 ( 1 − x 2 x ) d x = d y y           ⇒ ( 1 x − x ) d x = d y y I n t e g r a t i n g     b o t h     s i d e s ,     w e     h a v e             ∫ ( 1 x − x ) d x = ∫ d y y               ⇒ l o g x − x 2 2 = l o g y + l o g c ⇒             l o g x − x 2 2 = l o g y c       ⇒ l o g x − l o g y c = x 2 2 ⇒             l o g x y c = x 2 2         ⇒ x y c = e x 2 2           ⇒ y c x = e − x 2 2 ⇒               y c = x e − x 2 2             ⇒ y = 1 c . x e − x 2 2           ⇒ y = k x e − x 2 2 [ ? k = 1 c ] H e n c e ,     t h e     r e q u i r e d     s o l u t i o n     i s     k x e − x 2 2 .

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Sol:

G i v e n     e q u a t i o n     i s     d y d x + 1 = e x + y P u t     x + y = t ∴                             1 + d y d x = d t d x ∴                                           d t d x = e t           ⇒ d t e t = d x         ⇒ e − t d t = d x I n t e g r a t i n g     b o t h     s i d e s ,     w e     h a v e                             ∫ e − t d t = ∫ d x               ⇒ − e − t = x + c                         − e − ( x + y ) = x + c           ⇒ − 1 e ( x + y ) x + c         ⇒ ( x + c ) . e ( x + y ) = − 1 H e n c e ,     t h e     r e q u i r e d     s o l u t i o n     i s     ( x + c ) . e ( x + y ) + 1 = 0 .

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