Методы решения физико-математических задач

Метод Бернулли (введение двух функций). Линейные дифференциальные уравнения первого порядка

Решение дифференциальных уравнений первого порядка методом Бернулли
Изложен способ решения линейных дифференциальных уравнений первого порядка методом Бернулли – введением двух функций. Рассмотрен пример подробного решения линейного дифференциального уравнения методом Бернулли.

Рассмотрим линейное неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка:
y ′ + p (x ) y = q (x ) 
Существует три способа решения этого уравнения:

Рассмотрим решение линейного дифференциального уравнения первого порядка методом Бернулли.

Метод введения двух функций (Бернулли)

Ищем решение исходного уравнения в виде произведения двух функций:
y = u · v
где u, v - функции от x . Дифференцируем:
y′ = u′ · v + u · v′
Подставляем в исходное уравнение:
u ′v + uv ′ + p (x )  uv = q (x ) 
Выносим u за скобки:
(1)   u ′v + u (v ′ + p (x )  v )  = q (x ) 
В качестве v возьмем любое, отличное от нуля, решение уравнения:
(2)   v ′ + p (x )  v = 0
Это уравнение с разделяющимися переменными.
dvdx + p (x )  v = 0
Разделяем переменные. Умножаем обе части уравнения на dx и делим на v
dvv + p (x )  dx = 0
Интегрируем:
∫ dvv + ∫ p (x )  dx = C
Постоянную C возьмем равной нулю, поскольку нам нужно любое, отличное от нуля, решение.
∫ dvv = ln  | v |  = – ∫ p (x )  dx
Потенцируем и опускаем знак модуля (Знак модуля сводится к умножению на постоянную ±1).
v = e – ∫ p (x )  dx 
Подставим в (1) учитывая, что согласно (2), выражение в скобках равно нулю:
dudx ⋅ e – ∫ p (x )  dx = q (x ) 
Отсюда
dudx = q (x )  e ∫ p (x )  dx 
Интегрируем
u = ∫ q (x )  e ∫ p (x )  dx  dx + C
Окончательно находим:
y = uv =  [ ∫ q (x )  e ∫ p (x )  dx  dx + C  ]  ⋅  e – ∫ p (x )  dx = 
 C ⋅ e – ∫ p (x )  dx +  e – ∫ p (x )  dx  ∫ q (x )  e ∫ p (x )  dx  dx . 

Пример решения линейного дифференциального уравнения первого порядка методом Бернулли

Решить уравнение
xy ′ + 3y = x 2  . 

Решение

Делаем подстановку:
y = u · v
где u, v - функции от x . Дифференцируем:
y′ = u′ · v + u · v′
Подставляем в исходное уравнение:
x (u ′v + uv ′ )  + 3uv = x 2 
Выносим u за скобки:
(3)   xu ′v + u (xv ′ + 3v )  = x 2 
В качестве v возьмем любое, отличное от нуля, решение уравнения:
(4)   xv ′ + 3v = 0 . 
Это уравнение с разделяющимися переменными,
x dvdx + 3v = 0 . 
Разделяем переменные. Умножаем обе части уравнения на dx и делим на xv :
dvv + 3 dxx = 0
Интегрируем:
∫ dvv + 3 ∫ dxx = C
Постоянную C возьмем равной нулю, поскольку нам нужно любое, отличное от нуля, решение. По таблице интегралов, находим:
∫ dvv = ln  | v |  = – 3 ∫ dxx = – 3 ln  | x | 
Или
ln  | v |  = – 3 ln  | x | 
Потенцируем и опускаем знаки модуля (Знак модуля сводится к умножению на постоянную ±1).
v = x – 3 
Подставим в (3) учитывая, что согласно (4), выражение в скобках равно нулю:
x dudx x – 3  = x 2 
Отсюда
dudx = x 4 
Интегрируем, применяя формулу ∫ x n  dx = 1n + 1 x n + 1   : 
u = ∫ x 4  dx = 14 + 1 x 4 + 1  + C =  15 x 5  + C . 
Окончательно находим:
y = uv = ( 15 x 5  + C  ) x – 3  =  Cx – 3  + 15 x 2  . 

Ответ

Общее решение уравнения:
y = Cx 3  + 15 x 2 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню