Методы решения физико-математических задач

Дифференциальное уравнение Бернулли и методы его решения

Решение дифференциального уравнения Бернулли
Дано определение дифференциального уравнения Бернулли. Рассмотрены методы его решения: приведением к линейному уравнению и методом Бернулли. Рассмотрены два примера уравнений с подробными решениями методом Бернулли.
Дифференциальное уравнение Бернулли
– это уравнение вида:
y + p (x ) y + q (x ) yn  = 0 ,  где n ≠ 0 , n ≠ 1 , p и q – функции от x .

Решение дифференциального уравнения Бернулли приведением к линейному уравнению

Рассмотрим дифференциальное уравнение Бернулли:
(1)   y + p (x ) y + q (x ) yn  = 0 , 
где n ≠ 0 , n ≠ 1 , p и q – функции от x .
Разделим его на y n . При y ≠ 0 или n < 0 имеем:
(2)   y – ny + p (x ) y – n + 1  + q (x )  = 0 . 
Это уравнение сводится к линейному с помощью замены переменной:
z = y – n + 1  . 
Покажем это. По правилу дифференцирования сложной функции:
dzdx = dzdydydx = (y – n + 1  )yy =  (– n + 1 ) y – ny = (1 – n ) y – ny ; 
y – ny = 11 – ndzdx  . 
Подставим в (2) и преобразуем:
11 – ndzdx + p (x ) z + q (x )  = 0 ; 
dzdx + (1 – n ) p (x ) z + (1 – n ) q (x )  = 0 . 
Это – линейное, относительно z , дифференциальное уравнение. После его решения, при n > 0 , следует рассмотреть случай y = 0 . При n > 0 , y = 0 также является решением уравнения (1) и должно входить в ответ.

Решение методом Бернулли

Рассматриваемое уравнение (1) также можно решить методом Бернулли. Для этого ищем решение исходного уравнения в виде произведения двух функций:
y = u·v ,
где u и v – функции от x . Дифференцируем по x :
y′ = u′ v + u v′ .
Подставляем в исходное уравнение (1):
uv + uv + p (x ) uv + q (x ) unvn  = 0 ; 
(3)   uv + u(v + p (x ) v  )  + q (x ) unvn  = 0 . 
В качестве v возьмем любое, отличное от нуля, решение уравнения:
(4)   v + p (x ) v = 0 . 
Уравнение (4) – это уравнение с разделяющимися переменными. Решаем его и находим частное решение v = v(x) . Подставляем частное решение в (3). Поскольку оно удовлетворяет уравнению (4), то выражение в круглых скобках обращается в нуль. Получаем:
uv + q (x ) vnun  = 0 ; 
u + q (x ) vn – 1un  = 0 . 
Здесь v – уже известная функция от x . Это уравнение с разделяющимися переменными. Находим его общее решение, а вместе с ним и решение исходного уравнения y = uv .

Примеры решений дифференциального уравнения Бернулли

Пример 1

Решить уравнение
(П1.1)   xy + y = y 2x 5

Решение

Это дифференциальное уравнение Бернулли. Решаем его методом Бернулли. Ищем решение в виде произведения двух функций: y = u ⋅ v .  Тогда
y = u ⋅ v + u ⋅ v .  Подставляем в (П1.1):
x (u ⋅ v + u ⋅ v )  + u ⋅ v = u 2v 2x 5  ; 
(П1.2)   xvu + u (xv + v )  = u 2v 2x 5  . 
Одну из этих функций мы можем выбрать произвольным образом. Выберем v так, чтобы выражение в круглых скобках равнялось нулю:
(П1.3)   xv + v = 0 . 
Тогда подставляя (П1.3) в (П1.2), мы получим дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными:
(П1.4)   xvu = u 2v 2x 5  . 

Сначала мы определим функцию v . Нам нужно найти любое, отличное от нуля, решение уравнения (П1.3). Решаем его. Для этого разделяем переменные и интегрируем.
xdvdx + v = 0 ; 
dvv + dxx = 0 ; 
dvv + dxx = C ; 
ln  | v |  + ln  | x |  = C ; 
ln  | vx |  = C . 
Отсюда  | vx |  = eC  ,  или   vx = ± eC  .  Возьмем решение с C = 0 и знаком ′плюс′. Тогда vx = 1 ,  или v = 1 / x . 

Подставим v = 1 / x в (П1.4), разделяем переменные и интегрируем:
(П1.4)   xvu = u 2v 2x 5  ; 
xxu = u 2x 5x 2  ; 
u = u 2x 3  ; 
dudx = u 2x 3  . 
При u ≠ 0 имеем:
duu 2 – x 3dx = 0 ; 
duu 2 – x 3dx = C ; 
– 1u – 14x 4  = C ; 
1u = – 14x 4  – C ; 
u = – 114x 4  + C = – 4x 4  + 4C  . 

Итак, мы нашли функции u и v . Находим искомую функцию y :
y = uv =  – 4x 4  + 4C ⋅ 1x = – 4x 5  + 4Cx  . 
Заменим постоянную интегрирования: 4C → C .  Тогда общее решение исходного уравнения (П1.1) примет вид:
y = – 4x 5  + Cx  . 

Когда мы делили на u , то предполагали, что u ≠ 0 .  Теперь рассмотрим случай u = 0 .  Тогда y = uv = 0 .  Нетрудно видеть, что постоянная функция y = 0 также является решением исходного уравнения (П1.1) ⇑.

Ответ

Общее решение уравнения: y = – 4x 5  + Cx  . 
Уравнение также имеет решение y = 0 . 

Пример 2

Решить уравнение
(xy + x 2y 3 ) y = 1

Решение

На первый взгляд, кажется, что это дифференциальное уравнение не похоже на уравнение Бернулли. Если считать x независимой переменной, а y – зависимой (то есть если y – это функция от x), то это так. Но если считать y независимой переменной, а x – зависимой, то легко увидеть, что это – уравнение Бернулли.

Итак, считаем что x является функцией от y . Подставим в исходное уравнение   y = dydx   и умножим на   dxdy  : 
(xy + x 2y 3 ) dydx = 1 ; 
xy + x 2y 3  = dxdy  ; 
(П2.1)   dxdy – yx – y 3x 2  = 0 . 
Это – уравнение Бернулли с n = 2 . Оно отличается от рассмотренного выше, уравнения (1), только обозначением переменных (x вместо y). Решаем методом Бернулли. Делаем подстановку:
x = u v ,
где u и v – функции от y . Дифференцируем по y :
dxdy = dudyv + udvdy  . 
Подставим в (П2.1):
dudyv + udvdy – yuv – y 3u 2v 2  = 0 ; 
(П2.2)   dudyv + u(dvdy – yv  )  – y 3u 2v 2  = 0 . 
Ищем любую, отличную от нуля функцию v(y) , удовлетворяющую уравнению:
(П2.3)   dvdy – yv = 0 . 
Разделяем переменные и интегрируем:
dvv = ydy ; 
dvv = ydy ; 
ln  | v |  = 12y 2  + C . 
Поскольку нам нужно любое решение уравнения (П2.3), то положим C = 0 :
ln  | v |  = 12y 2  ;     | v |  = ey 22  ;    v =  ± ey 22  . 
Возьмем решение со знаком ′плюс′:
v = ey 22  . 
Подставим в (П2.2) учитывая, что выражение в скобках равно нулю (ввиду (П2.3)):
dudyv – y 3u 2v 2  = 0 ; 
dudy – y 3u 2v = 0 ; 
dudy = y 3u 2  ey 22  . 
Разделяем переменные и интегрируем. При u ≠ 0 имеем:
duu 2 = y 3ey 22  dy ; 
(П2.4)   duu 2 = y 3ey 22  dy + C ; 
duu 2 = u – 2  du = 1– 2 + 1u – 2 + 1  = – u – 1  = – 1u  . 
Во втором интеграле делаем подстановку   t = y 22  : 
dt = 12 (y 2 ) dy = 12 2ydy = ydy ; 
y 3ey 22  dy = y 2ey 22ydy =  2tet  dt = 2 tet  dt . 
Интегрируем по частям:
tet  dt = tdet  = tet  – et  dt = tet  – et  =  (t – 1 ) et  = (y 22 – 1  )ey 22  ; 
y 3ey 22  dy =  2 tet  dt = (y 2  – 2 ) ey 22  . 
Подставляем в (П2.4):
– 1u = (y 2  – 2  )ey 22 + C . 
Возвращаемся к переменной x :
– 1x = – 1uv = – 1u ⋅ 1v = (y 2  – 2  )ey 22 + Cey 22 = y 2  – 2 + Ce – y 22  ; 
– 1x = y 2  – 2 + Ce – y 22  ; 
(y 2  – 2 + Ce – y 22  )  x = – 1 . 

Ответ

(y 2  – 2 + Ce – y 22  )  x = – 1 . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

Меню