Рассмотрим линейное неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка:
Существует три способа решения этого уравнения:
Рассмотрим решение линейного дифференциального уравнения первого порядка методом Бернулли.
Видео:7. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Метод Бернулли.Скачать
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:
Выносим u за скобки:
(1)
В качестве v возьмем любое, отличное от нуля, решение уравнения:
(2)
Это уравнение с разделяющимися переменными.
Разделяем переменные. Умножаем обе части уравнения на dx и делим на v
Интегрируем:
Постоянную C возьмем равной нулю, поскольку нам нужно любое, отличное от нуля, решение.
Потенцируем и опускаем знак модуля (Знак модуля сводится к умножению на постоянную ±1 ).
Подставим в (1) учитывая, что согласно (2), выражение в скобках равно нулю:
Отсюда
Интегрируем
Окончательно находим:
.
Видео:Метод Лагранжа & Метод Бернулли ★ Решение линейных неоднородных дифференциальных уравненийСкачать
Пример решения линейного дифференциального уравнения первого порядка методом Бернулли
Делаем подстановку:
y = u · v
где u, v — функции от x . Дифференцируем:
y′ = u′ · v + u · v′
Подставляем в исходное уравнение:
Выносим u за скобки:
(3)
В качестве v возьмем любое, отличное от нуля, решение уравнения:
(4) .
Это уравнение с разделяющимися переменными,
.
Разделяем переменные. Умножаем обе части уравнения на dx и делим на xv :
Интегрируем:
Постоянную C возьмем равной нулю, поскольку нам нужно любое, отличное от нуля, решение. По таблице интегралов, находим:
Или
Потенцируем и опускаем знаки модуля (Знак модуля сводится к умножению на постоянную ±1 ).
Подставим в (3) учитывая, что согласно (4), выражение в скобках равно нулю:
Отсюда
Интегрируем, применяя формулу :
.
Окончательно находим:
.
Общее решение уравнения:
Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 24-07-2012 Изменено: 27-02-2015
Видео:9. Метод вариации произвольной постоянной ( метод Лагранжа ). Линейные дифференциальные уравнения.Скачать
14. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения. Метод Бернулли
(Якоб Бернулли (1654-1705) – швейцарский математик.)
Для интегрирования линейных неоднородных уравнений (Q(X)¹0) применяются в основном два метода: метод Бернулли и метод Лагранжа.
Суть метода заключается в том, что искомая функция представляется в виде произведения двух функций 
.
При этом очевидно, что 
— дифференцирование по частям.
Подставляя в исходное уравнение, получаем:
Далее следует важное замечание – т. к. первоначальная функция была представлена нами в виде произведения, то каждый из сомножителей, входящих в это произведение, может быть произвольным, выбранным по нашему усмотрению.
Например, функция 
может быть представлена как 
и т. п.
Таким образом, можно одну из составляющих произведение функций выбрать так, что выражение 
.
Таким образом, возможно получить функцию U, проинтегрировав, полученное соотношение как однородное дифференциальное уравнение по описанной выше схеме:
Для нахождения второй неизвестной функции V подставим поученное выражение для функции U В исходное уравнение с учетом того, что выражение, стоящее в скобках, равно нулю.
Интегрируя, можем найти функцию V:
; 
;
Т. е. была получена вторая составляющая произведения , которое и определяет искомую функцию.
Подставляя полученные значения, получаем:
Окончательно получаем формулу:
, С2 — произвольный коэффициент.
Это соотношение может считаться решением неоднородного линейного дифференциального уравнения в общем виде по способу Бернулли.
( Ларганж Жозеф Луи (1736-1813) — французский математик, през. Берлинской АН,
Поч. чл. Пет. АН (1776)).
Метод Лагранжа решения неоднородных линейных дифференциальных уравнений еще называют методом Вариации произвольной постоянной.
Вернемся к поставленной задаче:
Первый шаг данного метода состоит в отбрасывании правой части уравнения и замене ее нулем.
Далее находится решение получившегося однородного дифференциального уравнения:
.
Для того, чтобы найти соответствующее решение неоднородного дифференциального уравнения, будем считать постоянную С1 некоторой функцией от х.
Тогда по правилам дифференцирования произведения функций получаем:
Подставляем полученное соотношение в исходное уравнение
Из этого уравнения определим переменную функцию С1(х):
Подставляя это значение в исходное уравнение, получаем:
.
Таким образом, мы получили результат, полностью совпадающий с результатом расчета по методу Бернулли.
При выборе метода решения линейных дифференциальных уравнений следует руководствоваться простотой интегрирования функций, входящих в исходный интеграл.
Далее рассмотрим примеры решения различных дифференциальных уравнений различными методами и сравним результаты.
Пример. Решить уравнение 
Сначала приведем данное уравнение к стандартному виду: 
Применим полученную выше формулу: 
Определение. Уравнением Бернулли Называется уравнение вида
Где P и Q – функции от Х или постоянные числа, а N – постоянное число, не равное 1.
Для решения уравнения Бернулли применяют подстановку 
, с помощью которой, уравнение Бернулли приводится к линейному.
Для этого разделим исходное уравнение на Yn.
Применим подстановку, учтя, что 
.
Т. е. получилось линейное уравнение относительно неизвестной функции z.
Решение этого уравнения будем искать в виде:
Пример. Решить уравнение 
Разделим уравнение на Xy2: 
Полагаем 
.
Полагаем 
Произведя обратную подстановку, получаем:
Пример. Решить уравнение 
Разделим обе части уравнения на 
Полагаем 
Получили линейное неоднородное дифференциальное уравнение. Рассмотрим соответствующее ему линейное однородное уравнение:
Полагаем C = C(x) и подставляем полученный результат в линейное неоднородное уравнение, с учетом того, что:
Получаем: 
Применяя обратную подстановку, получаем окончательный ответ:
Уравнения в полных дифференциалах (тотальные).
Определение. Дифференциальное уравнение первого порядка вида:
Называется Уравнением в полных дифференциалах, если левая часть этого уравнения представляет собой полный дифференциал некоторой функции 
Интегрирование такого уравнения сводится к нахождению функции U, после чего решение легко находится в виде: 
Таким образом, для решения надо определить:
1) в каком случае левая часть уравнения представляет собой полный дифференциал функции U;
2) как найти эту функцию.
Если дифференциальная форма 
Является полным дифференциалом некоторой функции U, то можно записать:
Т. е. 
.
Найдем смешанные производные второго порядка, продифференцировав первое уравнение по У, а второе – по Х:
Приравнивая левые части уравнений, получаем Необходимое и достаточное условие того, что левая часть дифференциального уравнения является полным дифференциалом. Это условие также называется Условием тотальности.
Теперь рассмотрим вопрос о нахождении собственно функции U.
Проинтегрируем равенство 
:
Вследствие интегрирования получаем не постоянную величину С, а некоторую функцию С(у), т. к. при интегрировании переменная У полагается постоянным параметром.
Определим функцию С(у).
Продифференцируем полученное равенство по У.
Откуда получаем: 
Для нахождения функции С(у) необходимо проинтегрировать приведенное выше равенство. Однако, перед интегрированием надо доказать, что функция С(у) не зависит от Х. Это условие будет выполнено, если производная этой функции по Х равна нулю.
Теперь определяем функцию С(у):
Подставляя этот результат в выражение для функции U, получаем:
Тогда общий интеграл исходного дифференциального уравнения будет иметь вид:
Следует отметить, что при решении уравнений в полных дифференциалах не обязательно использовать полученную формулу. Решение может получиться более компактным, если просто следовать методу, которым формула была получена.
Пример. Решить уравнение 
Проверим условие тотальности: 
Условие тотальности выполняется, следовательно, исходное дифференциальное уравнение является уравнением в полных дифференциалах.
Определим функцию U.
;
Итого, 
Находим общий интеграл исходного дифференциального уравнения:
Решение уравнений, не содержащих в одном случае аргумента Х, а в другом – функции У, ищем в параметрической форме, принимая за параметр производную неизвестной функции.
Для уравнения первого типа получаем: 
Делая замену, получаем: 
В результате этих преобразований имеем дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными.
Общий интеграл в параметрической форме представляется системой уравнений:
Исключив из этой системы параметр Р, получим общий интеграл и не в параметрической форме.
Для дифференциального уравнения вида X = F(Y’) с помощью той же самой подстановки и аналогичных рассуждений получаем результат:
Уравнения Лагранжа и Клеро.
( Алекси Клод Клеро (1713 – 1765) французский математик
Ин. поч. член Петерб. АН )
Определение. Уравнением Лагранжа Называется дифференциальное уравнение, линейное относительно Х и У, коэффициенты которого являются функциями от Y’.
Для нахождения общего решение применяется подстановка P = Y’.
Дифференцируя это уравнение, c учетом того, что 
, получаем:
Если решение этого (линейного относительно Х) уравнения есть 
То общее решение уравнения Лагранжа может быть записано в виде:
Определение. Уравнением Клеро Называется уравнение первой степени (т. е. линейное) относительно функции и аргумента вида:
Вообще говоря, уравнение Клеро является частным случаем уравнения Лагранжа.
С учетом замены 
, уравнение принимает вид:
Это уравнение имеет два возможных решения:
или 
В первом случае: 
Видно, что общий интеграл уравнения Клеро представляет собой семейство прямых линий.
Во втором случае решение в параметрической форме выражается системой уравнений:
Исключая параметр Р, получаем второе решение F(x, y) = 0. Это решение не содержит произвольной постоянной и не получено из общего решения, следовательно, не является частным решением.
Это решение будет являться особым интегралом. ( См. Особое решение.)
Далее рассмотрим примеры решения различных типов дифференциальных уравнений первого порядка.
Пример. Решить уравнение с заданными начальными условиями.
Это линейное неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка.
Решим соответствующее ему однородное уравнение.
Для неоднородного уравнения общее решение имеет вид:
Дифференцируя, получаем: 
Для нахождения функции С(х) подставляем полученное значение в исходное дифференциальное уравнение:
Итого, общее решение: 
C учетом начального условия 
Определяем постоянный коэффициент C.
Окончательно получаем: 
Для проверки подставим полученный результат в исходное дифференциальное уравнение: 
верно
Ниже показан график интегральной кривой уравнения.
Пример. Найти общий интеграл уравнения 
.
Это уравнение с разделяющимися переменными.
Общий интеграл имеет вид: 
Построим интегральные кривые дифференциального уравнения при различных значениях С.
С = — 0,5 С = -0,02 С = -1 С = -2
С = 0,02 С = 0,5 С = 1 С = 2
Пример. Найти решение дифференциального уравнения, удовлетворяющее заданным начальным условиям.
Это уравнение с разделяющимися переменными.
Общее решение имеет вид: 
Найдем частное решение при заданном начальном условии У(0) = 0.
Окончательно получаем: 
Пример. Решить предыдущий пример другим способом.
Действительно, уравнение 
может быть рассмотрено как линейное неоднородное дифференциальное уравнение.
Решим соответствующее ему линейное однородное уравнение.
Решение неоднородного уравнения будет иметь вид:
Тогда 
Подставляя в исходное уравнение, получаем:
Итого 
С учетом начального условия у(0) = 0 получаем 
Как видно результаты, полученные при решении данного дифференциального уравнения различными способами, совпадают.
При решении дифференциальных уравнений бывает возможно выбирать метод решения, исходя из сложности преобразований.
Пример. Решить уравнение 
С начальным условием у(0) = 0.
Это линейное неоднородное уравнение. Решим соответствующее ему однородное уравнение.
Для линейного неоднородного уравнения общее решение будет иметь вид:
Для определения функции С(х) найдем производную функции У и подставим ее в исходное дифференциальное уравнение.
Итого 
Проверим полученное общее решение подстановкой в исходное дифференциальное уравнение.
(верно)
Найдем частное решение при у(0) = 0.
Окончательно 
Пример. Найти решение дифференциального уравнения
С начальным условием у(1) = 1.
Это уравнение может быть преобразовано и представлено как уравнение с разделенными переменными.
С учетом начального условия:
Окончательно 
Пример. Решить дифференциальное уравнение 
с начальным условием у(1) = 0.
Это линейное неоднородное уравнение.
Решим соответствующее ему однородное уравнение.
Решение неоднородного уравнения будет иметь вид:
Подставим в исходное уравнение:
Общее решение будет иметь вид: 
C учетом начального условия у(1) = 0: 
Частное решение: 
Пример. Найти решение дифференциального уравнения 
с начальным условием у(1) = е.
Это уравнение может быть приведено к виду уравнения с разделяющимися переменными с помощью замены переменных.
Обозначим: 
Уравнение принимает вид:
Получили уравнение с разделяющимися переменными.
Сделаем обратную замену: 
Общее решение: 
C учетом начального условия у(1) = е: 
Частное решение: 
Второй способ решения.
Получили линейное неоднородное дифференциальное уравнение. Соответствующее однородное:
Решение исходного уравнения ищем в виде: 
Тогда 
Подставим полученные результаты в исходное уравнение:
Получаем общее решение:
Пример. Решить дифференциальное уравнение 
с начальным условием у(1)=0.
В этом уравнении также удобно применить замену переменных.
Уравнение принимает вид: 
Делаем обратную подстановку: 
Общее решение: 
C учетом начального условия у(1) = 0: 
Частное решение: 
Второй способ решения.
Замена переменной: 
Общее решение:
Видео:Метод Бернулли. Метод Лагранжа (вариации произвольной постоянной). Линейное дифуравнение 1 порядкаСкачать
Дифференциальные уравнения Бернулли в примерах решений
Дифференциальным уравнением Бернулли называется уравнение вида
,
Таким образом, дифференциальное уравнение Бернулли обязательно содержит функцию y в степени, отличной от нуля и единицы.
В случае, если m = 0 , уравнение является линейным, а в случае, если m = 1 , уравнение является уравнением с разделяющимися переменными.
Дифференциальное уравнение Бернулли можно решить двумя методами.
- Переходом с помощью подстановки к линейному уравнению.
- Методом Бернулли.
Переход от уравнения Бернулли к линейному уравнению.
Уравнение делим на 
:
,
.
Обозначим 
. Тогда 
, откуда 
. Переходя к новой переменной, получим уравнение
,
которое является линейным дифференциальным уравнение первого порядка. Его можно решить методом вариации константы Лагранжа или методом Бернулли.
Решение методом Бернулли.
Решение следует искать в виде произведения двух функций y = u ⋅ v . Подставив его в дифференциальное уравнение, получим уравнение
.
Из слагаемых, содержащих функцию u в первой степени, вынесем её за скобки:
.
Приравняв выражение в скобках нулю, то есть
,
получим дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными для определения функции v .
Функцию u следует находить из дифференциального уравнения
,
которое также является уравнение с разделяющимися переменными.
Пример 1. Решить дифференциальное уравнение Бернулли
.
Решение. Решим дифференциальное уравнение двумя методами.
1. Переход от уравнения Бернулли к линейному уравнению. Данное уравнение умножим на y³ :
.
Введём обозначение 
, тогда 
, 
и приходим к уравнению
.
Решим его методом Бернулли. В последнее уравнение подставим z = u ⋅ v , z‘ = u‘v + uv‘ :
,
.
Выражение в скобках приравняем нулю и решим полученное дифференциальное уравнение:
Полученную функцию v подставим в уравнение:
2. Методом Бернулли. Ищем решение в виде произведения двух функций y = u ⋅ v . Подставив его и y‘ = u‘v + uv‘ в данное дифференциальное уравнение, получим
Выражение в скобках приравняем нулю и определим функцию v :
Полученную функцию v подставим в уравнение и определим функцию u :
И, наконец, найдём решение данного дифференциального уравнения:
Пример 2. Решить дифференциальное уравнение Бернулли
.
Решение. Это уравнение, в котором m = −1 . Применив подстановку y = u ⋅ v , получим
Выражение в скобках приравняем нулю и определим функцию v :
Полученную функцию v подставим в уравнение и определим функцию u :
Таким образом, получаем решение данного дифференциального уравнения:
.
Пример 3. Решить дифференциальное уравнение Бернулли
.
Решение. Это уравнение можно решить, используя подстановку y = u ⋅ v . Получаем
Приравняем нулю выражение в скобках и решим полученное уравнение с разделяющимися переменными:
Подставляем v в данное уравнение и решаем полученное уравнение:
и проинтегрируем обе части уравнения:
Далее используем подстановку
:
.
Таким образом, получаем функцию u :
.
и решение данного дифференциального уравнения:
Пример 4. Решить задачу Коши для дифференциального уравнения
при условии 
.
Решение. Перепишем уравнение, перенося в левую сторону линейные слагаемые, а в правую — нелинейные:
.
Это уравнение Бернулли, которое можно решить, используя подстановку y = u ⋅ v , y‘ = u‘v + uv‘ :
Выражение в скобках приравняем нулю и решим дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными:
Подставим функцию v в данное уравнение и решим полученное дифференциальное уравнение:
Вычислим каждый интеграл отдельно. Первый:
.
Второй интеграл интегрируем по частям. Введём обозначения:
Приравниваем друг другу найденные значения интегралов и находим функцию u :
Таким образом, общее решение данного дифференциального уравнения:
.
Используем начальное условие, чтобы определить значение константы:
Ищем частное решение, удовлетворяющее начальному условию:
В результате получаем следующее частное решение данного дифференциального уравнения:
.
И напоследок — пример с альтернативным обозначением производных — через дробь.
Пример 5. Решить дифференциальное уравнение Бернулли
.
Решение. Решим это уравнение первым из представленных в теоретической части методом — переходом к линейному уравнению. Разделив данное уравнение почленно на y³ , получим
.
Введём новую функцию 
. Тогда
.
Подставляя эти значения в уравнение, полученное на первом шаге, получим линейное уравнение:
.
Найдём его общий интеграл:
,
.
Подставляя эти значение в полученное линейное уравнение, получаем
.
Приравниваем нулю выражение в скобках:
Для определения функции u получаем уравнение
.
Интегрируем по частям:
Таким образом, общий интеграл данного уравнения
.
🌟 Видео
10. Уравнения БернуллиСкачать
Уравнение Бернулли Метод БернуллиСкачать
Математика без Ху!ни. Линейное неоднородное уравнение 1 порядка. Метод вариации постоянной.Скачать
Метод Бернулли. Метод ЛагранжаСкачать
#Дифуры I. Урок 5. Линейные дифференциальные уравнения. Метод БернуллиСкачать
Дифференциальные уравнения, 4 урок, Линейные дифференциальные уравнения первого порядкаСкачать
Метод Лагранжа. Решение линейного дифференциального уравнения первого порядка.Скачать
Линейные дифференциальные уравнения (Метод Бернулли)Скачать
Дифференциальные уравнения, 5 урок, Уравнение БернуллиСкачать
Метод БернуллиСкачать
Линейное дифференциальное уравнение первого порядка (1-x^2)*y'-xy=1Скачать
Линейной ДУ 1 порядка, метод Бернулли и метод вариации постояннойСкачать
Метод БернуллиСкачать
Линейное дифференциальное уравнение. Метод БернуллиСкачать
Линейные дифференциальные уравнения 1 порядка: метод Бернулии, метод ЛагранжаСкачать
