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伯努利方程与黎卡提方程

有些非线性一阶方程可以通过巧妙的变量代换化为线性方程——伯努利方程和黎卡提方程便是其中最重要的两类。

伯努利方程

标准形式

dydx+P(x)y=Q(x)yn(n0,1)\frac{dy}{dx} + P(x)\,y = Q(x)\,y^n \qquad (n \neq 0, 1)

n=0n = 0 时退化为一阶线性方程;当 n=1n = 1 时为变量分离方程。

解法:化为线性方程

v=y1nv = y^{1-n},则:

dvdx=(1n)yndydx\frac{dv}{dx} = (1-n)y^{-n}\frac{dy}{dx}

代入原方程:

dvdx+(1n)P(x)v=(1n)Q(x)\frac{dv}{dx} + (1-n)P(x)\,v = (1-n)Q(x)

这是一阶线性方程!解出 vv 后,y=v1/(1n)y = v^{1/(1-n)}

举例

求解 y+1xy=xy2y' + \frac{1}{x}y = xy^2n=2n = 2):

v=y1v = y^{-1},则 v=y2yv' = -y^{-2}y'。代入:

y2y1xy1=xv1xv=x-y^{-2}y' - \frac{1}{x}y^{-1} = -x \quad\Longrightarrow\quad v' - \frac{1}{x}v = -x

这是一阶线性方程。μ(x)=e1xdx=1x\mu(x) = e^{-\int \frac{1}{x}dx} = \frac{1}{x}

v=x[(x)1xdx+C]=x(x+C)=Cxx2v = x\left[ \int (-x) \cdot \frac{1}{x}\,dx + C \right] = x(-x + C) = Cx - x^2

y=1v=1Cxx2y = \frac{1}{v} = \frac{1}{Cx - x^2}

黎卡提方程

标准形式

dydx=P(x)y2+Q(x)y+R(x)\frac{dy}{dx} = P(x)\,y^2 + Q(x)\,y + R(x)

这是二次非线性方程,一般不能初等求解。但若已知一个特解 y1(x)y_1(x),则可化为线性方程。

解法(已知一个特解)

y=y1+1vy = y_1 + \dfrac{1}{v},其中 vv 是新未知函数。代入黎卡提方程,经过化简可得 vv 满足一阶线性方程:

dvdx+[Q(x)+2P(x)y1(x)]v=P(x)\frac{dv}{dx} + \bigl[Q(x) + 2P(x)y_1(x)\bigr]\,v = -P(x)

解出 vv 后,y=y1+1/vy = y_1 + 1/v 即为通解。

举例

求解 y=y2+2x2y' = -y^2 + \dfrac{2}{x^2}。已知特解 y1=1xy_1 = \dfrac{1}{x}

y=1x+1vy = \dfrac{1}{x} + \dfrac{1}{v}。代入化简得:

v+2xv=1v' + \frac{2}{x}v = 1

这是一阶线性方程。

v=e2xdx[1e2xdxdx+C]=1x2[x33+C]=x3+Cx2v = e^{-\int \frac{2}{x}dx}\left[ \int 1 \cdot e^{\int \frac{2}{x}dx} dx + C \right] = \frac{1}{x^2}\left[ \frac{x^3}{3} + C \right] = \frac{x}{3} + \frac{C}{x^2}

y=1x+1x3+C/x2=1x+3x2x3+3Cy = \frac{1}{x} + \frac{1}{\frac{x}{3} + C/x^2} = \frac{1}{x} + \frac{3x^2}{x^3 + 3C}

伯努利与黎卡提的对比

伯努利方程黎卡提方程
形式y+Py=Qyny' + Py = Qy^ny=Py2+Qy+Ry' = Py^2 + Qy + R
化为线性总是可化(n0,1n \neq 0,1需要已知一个特解
变量代换v=y1nv = y^{1-n}y=y1+1/vy = y_1 + 1/v
适用范围n0,1n \neq 0, 1已知特解时

核心思想

伯努利方程和黎卡提方程的共同策略:通过变量代换将非线性方程降为线性方程——"化陌生为熟悉"。