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
dxdy+P(x)y=Q(x)yn(n=0,1)
当 n=0 时退化为一阶线性方程;当 n=1 时为变量分离方程。
解法:化为线性方程
令 v=y1−n,则:
dxdv=(1−n)y−ndxdy
代入原方程:
dxdv+(1−n)P(x)v=(1−n)Q(x)
这是一阶线性方程!解出 v 后,y=v1/(1−n)。
求解 y′+x1y=xy2(n=2):
令 v=y−1,则 v′=−y−2y′。代入:
−y−2y′−x1y−1=−x⟹v′−x1v=−x
这是一阶线性方程。μ(x)=e−∫x1dx=x1。
v=x[∫(−x)⋅x1dx+C]=x(−x+C)=Cx−x2
y=v1=Cx−x21
黎卡提方程
标准形式
dxdy=P(x)y2+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),则可化为线性方程。
解法(已知一个特解)
设 y=y1+v1,其中 v 是新未知函数。代入黎卡提方程,经过化简可得 v 满足一阶线性方程:
dxdv+[Q(x)+2P(x)y1(x)]v=−P(x)
解出 v 后,y=y1+1/v 即为通解。
求解 y′=−y2+x22。已知特解 y1=x1。
令 y=x1+v1。代入化简得:
v′+x2v=1
这是一阶线性方程。
v=e−∫x2dx[∫1⋅e∫x2dxdx+C]=x21[3x3+C]=3x+x2C
y=x1+3x+C/x21=x1+x3+3C3x2
伯努利与黎卡提的对比
| 伯努利方程 | 黎卡提方程 |
|---|
| 形式 | y′+Py=Qyn | y′=Py2+Qy+R |
| 化为线性 | 总是可化(n=0,1) | 需要已知一个特解 |
| 变量代换 | v=y1−n | y=y1+1/v |
| 适用范围 | n=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"。