贝努利微分方程的解法

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  【摘要】介绍两种求贝努利微分方程的方法,并借助实例说明其应用.
  【关键词】贝努利微分方程; 待定函数法;微分法
  一般地将形如
  dydx P(x)y=Q(X)yn (n=0,1)(1)
  的微分方程叫作贝努利(Bernoulli)微分方程.因贝努利微分方程在科学计算方面有着非常广泛的应用.因此,对求解贝努利微分方程的通解的研究有着十分重要的意义,一般教材上常用的解法是通过变量代换y1-n=z将贝努利微分方程化为一阶线性非齐次微分方程,从而求出贝努利微分方程的通解.本文以
  dydx-yx=(1 lnx)y3(2)
  为例介绍两种解贝努利微分方程的方法.
  方法1:待定函数法
  设y=u(x)v(x)是(1)的通解.
  于是 u′v v′ p(x)vu=Q(x)unvn.(3)
  令v′ p(x)v=0,
  则有v=e-∫p(x)dx,
  u′=Q(x)une(1-n)∫p(x)dx.(4)
  将(4)分离变量并积分得
  u1-n=(1-n)∫Q(x)e(1-n)∫p(x)dxdx C
  因此方程(1)的通解为
  y1-n=u1-nv1-n
  =[(1-n)∫Q(x)e(1-n)∫p(x)dxdx C]e(n-1)∫p(x)dx
  即y=e-∫p(x)dx[(1-n)∫Q(x)e(1-n)∫p(x)dxdx C]11-n
  其中C为任意常数.
  对于(2):
  解 这是 n=3 的贝努利微分方程.
  设y=uv.
  于是u′v (v′-1xv)u=(1 lnx)u3v3
  令v′-1xv=0,
  则有v=x,
  u′=(1 lnx)x2u3.
  将上式分离变量,并积分得
  u-2=-49x3-23x3lnx C.
  因此所求(2)式的通解为
  x2y2=-49x3-23x3lnx C,
  其中C为任意常数.
  方法2:微分法
  在方程(1)的两边同乘以积分因子e∫p(x)dx得
  e∫p(x)dxy′ e∫p(x)dxp(x)y=Q(x)e∫p(x)dxyn
  即ddxye∫p(x)dx=Q(x)e(1-n)∫p(x)dxye∫p(x)dxn.
  從而 dye∫p(x)dx1-n=(1-n)Q(x)e(1-n)∫p(x)dxdx.
  对上式两边积分得
  ye∫p(x)dx1-n=(1-n)∫Q(x)e(1-n)∫p(x)dxdx C.
  因此方程(1)的通解为
  y=e-∫p(x)dx(1-n)∫Q(x)e(1-n)∫p(x)dxdx C11-n,
  其中C为任意常数.
  对于(2):
  解 将方程(2)的两边同乘积分因子
  e-∫1xdx=1x,
  并进行整理得
  1xy′-1x2y=1 lnxxy3,
  即dyxyx3=x2(1 lnx)dx.
  两边积分可得
  -12yx-2=29x3 13x3lnx-C2.
  因此方程(2)的通解为
  x2y2=-49x3-23x3lnx C,
  其中C为任意常数.
  本文介绍了两种解贝努利微分方程的方法,学生在解具体的贝努利微分方程时,要根据题目的特点灵活选择方法求解.
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