Перейти к содержанию

Уравнение Бернулли

Математика Алгебра Сложность 2/5

Начало урока

Дифференциальное уравнение Бернулли

Классическое нелинейное уравнение, укрощённое одной подстановкой

Необходимые знания: Линейные ОДУ первого порядка, метод интегрирующего множителя, разделение переменных, цепное правило дифференцирования.

1. Что такое уравнение Бернулли?

Стандартная форма

Обыкновенное дифференциальное уравнение первого порядка называется уравнением Бернулли, если его можно записать в виде:

$$ \frac{dy}{dx} + P(x)\,y = Q(x)\,y^{n} $$

где $P(x)$ и $Q(x)$ — непрерывные функции, а $n$ — действительное число. Уравнение названо в честь Якоба Бернулли, который впервые рассмотрел его в 1695 году, хотя метод решения, который мы используем сегодня, был опубликован Готфридом Лейбницем в том же году.

Обратите внимание на структуру: левая часть выглядит точно как линейное ОДУ первого порядка, но правая часть содержит степень $y^n$, которая нарушает линейность. Именно этот степенной член делает уравнение нелинейным — и одновременно позволяет решить его с помощью хитрого приёма.

Особые значения показателя — решаем сразу

Показатель $n$Что происходитМетод
$n = 0$$y^0 = 1$, поэтому уравнение принимает вид $\frac{dy}{dx} + P(x)y = Q(x)$ — стандартное линейное ОДУ первого порядка.Интегрирующий множитель (уже изучено).
$n = 1$$y^1 = y$, поэтому уравнение принимает вид $\frac{dy}{dx} + P(x)y = Q(x)y$, т.е. $\frac{dy}{dx} = [Q(x) - P(x)]y$ — уравнение с разделяющимися переменными.Разделить переменные и проинтегрировать.
$n \neq 0, 1$Уравнение действительно нелинейное. Это новая территория.Подстановка Бернулли (тема этого урока).
⚠️ Дисциплина: Всегда проверяйте $n$ в первую очередь. Если $n=0$ или $n=1$, используйте более простой метод — не применяйте полную процедуру Бернулли без необходимости.

Галерея распознавания — как заметить замаскированные уравнения Бернулли

Уравнения Бернулли не всегда приходят в стандартной форме. Возможно, сначала потребуется разделить или перегруппировать члены.

Исходная формаДеление / ПерегруппировкаСтандартная форма$n$
$x\frac{dy}{dx} + y = y^2 x^2 \ln x$Разделить на $x$$\frac{dy}{dx} + \frac{1}{x}y = (x\ln x)\,y^2$$2$
$2\frac{dy}{dx} + (\tan x)\,y = \frac{(4x+5)^2}{\cos x}\,y^3$Разделить на $2$$\frac{dy}{dx} + \frac{\tan x}{2}\,y = \frac{(4x+5)^2}{2\cos x}\,y^3$$3$
$y' + \frac{y}{x} - \sqrt{y} = 0$Перенести $\sqrt{y}$ вправо$\frac{dy}{dx} + \frac{1}{x}y = y^{1/2}$$\frac{1}{2}$
$y' - y = e^{2x}y^3$Уже в нужной форме$\frac{dy}{dx} - y = e^{2x}\,y^3$$3$
$y' + 3y = xy^{-2}$Уже в нужной форме$\frac{dy}{dx} + 3y = x\,y^{-2}$$-2$

Ключевой навык: Определяйте $n$ только после того, как уравнение приведено к стандартной форме $y' + P(x)y = Q(x)y^n$.

Продолжите этот урок на YourAIZone

В полном уроке — объяснение целиком, разобранные примеры, частые ошибки, тесты с мгновенной проверкой и ИИ-репетитор. Начните сразу как гость или создайте аккаунт, чтобы сохранять прогресс.

В полном уроке

  • Объяснение целиком
  • Разобранные примеры
  • Частые ошибки и как их избежать
  • Тестовые вопросы: 15
  • ИИ-репетитор, который отвечает на вопросы по теме
  • Отслеживание прогресса для ученика, родителей и учителя