求微分方程 $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{2x^3+3xy+x}{3x^2y+2y^3-y}$ 的通解.
\[
\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{2x^3+3xy+x}{3x^2y+2y^3-y}.
\]
[分析]
此方程, 无论将 $y$ 视为 $x$ 的函数抑或视 $x$ 为 $y$ 之函数都不太容易将其简化(分离变量、化为齐次方程). 尝试写成 $P(x,y)\mathrm{d}x+Q(x,y)\mathrm{d}y$ 的形式, 看能否写成全微分.
原方程改写为
\[
(2x^3+3xy+x)\mathrm{d}x-(3x^2y+2y^3-y)\mathrm{d}y=0.\tag{*}
\]
记 $P(x,y)=2x^3+3xy+x$, $Q(x,y)=-(3x^2y+2y^3-y)$. 则
\[
\frac{\partial Q}{\partial x}=-6xy,\quad\frac{\partial P}{\partial y}=3x.
\]
两者不相等, 故不能直接积分得到全微分方程($\mathrm{d}u=0$) 中的 $u(x,y)$.
[尝试]
将方程 $(*)$ 进一步改写
\[
\begin{aligned}
&2x^3\mathrm{d}x+3xy\mathrm{d}x+x\mathrm{d}x-3x^2y\mathrm{d}y-2y^3\mathrm{d}y+y\mathrm{d}y=0\\
\Rightarrow\quad&(2x^3\mathrm{d}x-2y^3\mathrm{d}y)+(x\mathrm{d}x+y\mathrm{d}y)+(3xy\mathrm{d}x-3x^2y\mathrm{d}y)=0\\
\Rightarrow\quad&\frac{1}{2}(\mathrm{d}x^4-\mathrm{d}y^4)+\frac{1}{2}(\mathrm{d}x^2+\mathrm{d}y^2)+(3xy\mathrm{d}x-3x^2y\mathrm{d}y)=0.
\end{aligned}
\]
注: 这道题不太好求解.
若将方程改为
\[
\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{2x^3+3xy^2+x}{3x^2y+2y^3-y},
\]
则会容易很多. 此时将方程改写为
\[
\begin{aligned}
&\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{x(2x^2+3y^2+1)}{y(3x^2+2y^2-1)}\\
\Rightarrow\ &\frac{y\mathrm{d}y}{x\mathrm{d}x}=\frac{2x^2+3y^2+1}{3x^2+2y^2-1}\\
\Rightarrow\ &\frac{\mathrm{d}y^2}{\mathrm{d}x^2}=\frac{2x^2+3y^2+1}{3x^2+2y^2-1},
\end{aligned}
\]
令 $u=x^2$, $v=y^2$, 则方程化为
\[
\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}u}=\frac{2u+3v+1}{3u+2v-1},\tag{*}
\]
令
\[
\left\{
\begin{aligned}
2u+3v+1&=0,\\
3u+2v-1&=0,
\end{aligned}
\right.
\]
求得 $u=1$, $v=-1$. 于是令 $s=u-1$, $t=v+1$, 则 $(*)$ 化为
\[
\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s}=\frac{2s+3t}{3s+2t}=\frac{2+3\frac{t}{s}}{3+2\frac{t}{s}}.
\]
这是一个齐次方程, 令 $p(s)=\frac{t}{s}$, 则 $t=s\cdot p(s)$, $\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s}=p+s\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}s}$. 代入上式, 得
\[
\begin{aligned}
&p+s\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}s}=\frac{2+3p}{3+2p}\\
\Rightarrow\ &s\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}s}=\frac{2+3p}{3+2p}-p\\
\Rightarrow\ &s\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}s}=\frac{2+3p-p(3+2p)}{3+2p}=\frac{2-2p^2}{3+2p}\\
\Rightarrow\ &\frac{3+2p}{2-2p^2}\mathrm{d}p=\frac{{\mathrm{d}s}}{s},
\end{aligned}
\]
两边求不定积分,
\[
\int\frac{3+2p}{2-2p^2}\mathrm{d}p=\int\frac{{\mathrm{d}s}}{s}.\tag{*1}
\]
其中左边
\[
\begin{split}
\int\frac{3+2p}{2-2p^2}\mathrm{d}p&=\frac{3}{2}\int\frac{1}{1-p^2}\mathrm{d}p+\int\frac{p}{1-p^2}\mathrm{d}p\\
&=\frac{3}{4}\int(\frac{1}{1-p}+\frac{1}{1+p})\mathrm{d}p+\frac{1}{2}\int\frac{\mathrm{d}p^2}{1-p^2}\\
&=\frac{3}{4}\Bigl[-\ln|p-1|+\ln|p+1|\Bigr]+(-\frac{1}{2})\int\frac{\mathrm{d}(p^2-1)}{p^2-1}\\
&=\frac{3}{4}\ln\frac{|p+1|}{|p-1|}-\frac{1}{2}\ln|p^2-1|+C_1.
\end{split}
\]
于是 $(*1)$ 化为
\[
\frac{3}{4}\ln\frac{|p+1|}{|p-1|}-\frac{1}{2}\ln|p^2-1|=\ln |s|+C_1.
\]
两边乘以 $2$, 得
\[
\frac{3}{2}\ln\frac{|p+1|}{|p-1|}-\ln|p^2-1|=2\ln |s|+C_1,
\]
这推出
\[
\begin{aligned}
&\frac{|p+1|^{3/2}}{|p-1|^{3/2}}\cdot\frac{1}{|p^2-1|}=s^2\cdot e^{C_1}\\
\Rightarrow\ &\frac{|p+1|^{1/2}}{|p-1|^{5/2}}=e^{C_1} s^2\\
\Rightarrow\ &|p+1|^{1/2}=e^{C_1} s^2 |p-1|^{5/2}\\
\Rightarrow\ &|p+1|=e^{2C_1} s^4 |p-1|^5\\
\Rightarrow\ &p+1=Cs^4(p-1)^5.
\end{aligned}
\]
将 $p=\frac{t}{s}$ 代入, 得
\[
\begin{aligned}
&(\frac{t}{s}+1)=Cs^4\cdot\bigl(\frac{t}{s}-1\bigr)^5\\
\Rightarrow\ & (t+s)=Cs^5\cdot\bigl(\frac{t}{s}-1\bigr)^5\\
\Rightarrow\ & t+s=C(t-s)^5.
\end{aligned}
\]
又 $s=u+1$, $t=v-1$, 我们得到
\[
u+v=C(v-u-2)^5.
\]
最后将 $u=x^2$, $v=y^2$ 代入, 得
\[
x^2+y^2=C(y^2-x^2-2)^5.
\]
这就是方程的通解.