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\( y ^ { \prime } + 1 = \frac { ( x + y ) ^ { m } } { ( x + y ) ^ { n } + ( x + y ) ^ { \prime } } \)

Ask by Washington Ramirez. in Mexico
Feb 25,2025

Upstudy AI Solution

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Answer

Para resolver la ecuación \( y' + 1 = \frac{(x + y)^m}{(x + y)^n + y'} \), se puede seguir estos pasos: 1. **Sustitución**: Definir \( u = x + y \) y \( u' = y' + 1 \). 2. **Transformar la Ecuación**: La ecuación se convierte en \( u' = \frac{u^m}{u^n + u'} \). 3. **Aislar \( u' \)**: Multiplicar ambos lados por \( u^n + u' \) para obtener \( u' \cdot u^n + (u')^2 = u^m \). 4. **Forma Cuadrática**: Esto resulta en \( (u')^2 + u^n \cdot u' - u^m = 0 \). 5. **Resolver la Ecuación Cuadrática**: Aplicar la fórmula general para obtener \( u' \). Finalmente, se obtiene una ecuación cuadrática en \( u' \) que puede ser resuelta para encontrar \( u' \), y luego \( y' \), en términos de \( u \).

Solution

Dada la ecuación   y′ + 1 = (x + y)^m / [(x + y)^n + (x + y)′], podemos hacer algunas observaciones y transformaciones útiles. 1. Notación de la derivada de (x + y):  Reconozcamos que (x + y)′ representa la derivada de (x + y) respecto a x. Como x′ = 1 y y′ es la derivada de y, se tiene:   (x + y)′ = 1 + y′. 2. Sustitución para simplificar la ecuación:  Es conveniente introducir la variable u definida por   u = x + y.  Entonces, derivando respecto a x, se tiene:   u′ = d/dx (x + y) = 1 + y′.  Observa que en la parte izquierda de la ecuación original aparece y′ + 1, que es precisamente u′. 3. Reescribiendo la ecuación con la variable u:  Sustituyendo y′ + 1 = u′ y (x + y) = u, la ecuación se transforma en:   u′ = u^m / [u^n + u′]. 4. Organizando la ecuación:  Multiplicamos ambos lados del igual por el denominador para aislar u′:   u′(u^n + u′) = u^m.  Esto se puede escribir como:   u′² + u^n·u′ − u^m = 0.  Hemos obtenido una ecuación cuadrática en u′. 5. Resolviendo la ecuación cuadrática en u′:  La forma general de una ecuación cuadrática es:   A·(u′)² + B·u′ + C = 0,  donde en nuestro caso:   A = 1,   B = u^n,   C = −u^m.  Aplicando la fórmula general, encontramos:   u′ = [−u^n ± √(u^(2n) + 4·u^m)] / 2. Esta forma de la solución expresa la derivada de u en función de u. Dependiendo del contexto y de condiciones iniciales, se podría intentar integrar para obtener u como función de x y, posteriormente, recuperar la solución en términos de y. En resumen, hemos pasado de la ecuación original a una forma en la que, mediante la sustitución u = x + y, se reduce a una ecuación cuadrática en la derivada u′. Este procedimiento es común cuando la variable aparecen combinadas de manera lineal (como x + y), y simplifica el análisis y la posible integración de la ecuación diferencial.

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Bonus Knowledge

This differential equation showcases how the interplay between \(m\) and \(n\) shapes the behavior of its solutions. For specific integer values of \(m\) and \(n\), the equation could transform into a more recognizable form, such as a linear differential equation, which are easier to solve using standard methods. This is a great reminder that tweaking these parameters can lead to intriguing dynamics in the solution space! In real-world applications, such equations often appear in fields like population dynamics and physics, where variables interdependently evolve over time. For example, in ecology, the function could represent the growth rate of a species influenced by environmental factors, where \(x\) might denote resource availability and \(y\) the population size. Understanding such relationships helps in predicting outcomes and making data-driven decisions.

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