Бернулијева диференцијална једначина

y′+f(x)y=g(x)yα  /:yαy′yα+f(x)yyα=g(x)y′yα+f(x)y1−α=g(x)смена:y1−α=z    (1−α)y1−α−1y′=z′    (1−α)y′yα=z′    y′yα=z′1−αz′1−α+f(x)z=g(x)  /⋅(1−α)z′+(1−α)f(x)z=(1−α)g(x)\begin{array}{l} y' + f\left( x \right)y = g\left( x \right){y^\alpha }{\rm{ }} {\text{ }}{\text{ }} /:{y^\alpha } \\ \frac{{y'}}{{{y^\alpha }}} + f\left( x \right)\frac{y}{{{y^\alpha }}} = g\left( x \right) \\ \frac{{y'}}{{{y^\alpha }}} + f\left( x \right){y^{1 - \alpha }} = g\left( x \right) \\ смена:{y^{1 - \alpha }} = z \\ {\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}\left( {1 - \alpha } \right){y^{1 - \alpha - 1}}y' = z' \\ {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} \left( {1 - \alpha } \right)\frac{{y'}}{{{y^\alpha }}} = z' \\ {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} \frac{{y'}}{{{y^\alpha }}} = \frac{{z'}}{{1 - \alpha }} \\ \\ \frac{{z'}}{{1 - \alpha }} + f\left( x \right)z = g\left( x \right){\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} / \cdot \left( {1 - \alpha } \right) \\ z' + \left( {1 - \alpha } \right)f\left( x \right)z = \left({1 - \alpha } \right)g\left( x \right) \end{array}

Задаци


1. Одреди опште решење диференцијалне једначине  y′+2xy=2x3y3y' + 2xy = 2{x^3}{y^3}.

Ово је Бернулијева диференцијална једначина, задата у њеном стандардном облику, код које је α=3\alpha = 3.

Дакле, најпре диференцијалну једначину делимо са y3{y^3}.

y′+2xy=2x3y3  /:y3y' + 2xy = 2{x^3}{y^3}{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /:{y^3}

y′y3+2x1y2=2x3\frac{{y'}}{{{y^3}}} + 2x\frac{1}{{{y^2}}} = 2{x^3}

Уводимо смену 1y2=z\frac{1}{{{y^2}}} = z, односно y−2=z{y^{ - 2}} = z.

Како је yy зависна променљива, одређујући извод добијамо

−2y−3y′=z′- 2{y^{ - 3}}y' = z'  односно  y′y3=z′−2\frac{{y'}}{{{y^3}}} = \frac{{z'}}{{ - 2}}.

Уврштавајући то у полазну диференцијалну једначину

z′−2+2xz=2x3  /⋅(−2)\frac{{z'}}{{ - 2}} + 2xz = 2{x^3}{\rm{ }} {\text{ }}{\text{ }} / \cdot \left( { - 2} \right)

z′−4xz=−4x3z' - 4xz = - 4{x^3} добили смо линеарну диференцијалну једначину коју решавамо стандардном сменом.

z=uv  ⇒  z′=u′v+uv′z = uv{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow{\text{ }}{\text{ }} z' = u'v + uv'

u′v+uv′−4xuv=−4x3u'v + uv' - 4xuv = - 4{x^3}

u′v+u(v′−4xv)=−4x3u'v + u\left( {v' - 4xv} \right) = - 4{x^3}

v′−4xv=0v' - 4xv = 0

dvdx=4xv\frac{{dv}}{{dx}} = 4xv

dvv=4xdx  /∫\frac{{dv}}{v} = 4xdx{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /\int {}

ln⁡∣v∣=4x22\ln \left| v \right| = 4\frac{{{x^2}}}{2}

v=e2x2v = {e^{2{x^2}}}

u′e2x2=−4x3u'{e^{2{x^2}}} = - 4{x^3}

dudx=−4x3e−2x2\frac{{du}}{{dx}} = - 4{x^3}{e^{ - 2{x^2}}}

du=−4x3e−2x2dx  /∫du = - 4{x^3}{e^{ - 2{x^2}}}dx{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /\int {}

u=−4∫x3e−2x2dx=∣u=x2dv=xe−2x2dxdu=2xdxv=∫xe−2x2dx=∣−2x2=t−4xdx=dt∣v=∫etdt−4=−14e−2x2∣=u = - 4\int {{x^3}{e^{ - 2{x^2}}}dx} = \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {u = {x^2}}&{dv = x{e^{ - 2{x^2}}}dx}\\ {du = 2xdx}&{v = \int {x{e^{ - 2{x^2}}}dx = \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} { - 2{x^2} = t}\\ { - 4xdx = dt} \end{array}} \right|} }\\ {}&{v = \int {{e^t}\frac{{dt}}{{ - 4}} = - \frac{1}{4}{e^{ - 2{x^2}}}} } \end{array}} \right| =

  =−4(−x24e−2x2+24∫xe−2x2dx){\text{ }}{\text{ }} = - 4\left( { - \frac{{{x^2}}}{4}{e^{ - 2{x^2}}} + \frac{2}{4}\int {x{e^{ - 2{x^2}}}dx} } \right)

  =x2e−2x2−2(−14e−2x2)+C=x2e−2x2+12e−2x2+C{\text{ }}{\text{ }} = {x^2}{e^{ - 2{x^2}}} - 2\left( { - \frac{1}{4}{e^{ - 2{x^2}}}} \right) + C = {x^2}{e^{ - 2{x^2}}} + \frac{1}{2}{e^{ - 2{x^2}}} + C

z=uv=x2+12+Ce2x2z = uv = {x^2} + \frac{1}{2} + C{e^{2{x^2}}}

Како је 1y2=z⇒y=1z\frac{1}{{{y^2}}} = z{\rm{ }} \Rightarrow {\rm{ }}y = \frac{1}{{\sqrt z }}, па је

y=1x2+12+Ce2x2y = \frac{1}{{\sqrt {{x^2} + \frac{1}{2} + C{e^{2{x^2}}}} }}


2. Наћи оно партикуларно решење диференцијалне једначине  xy′+y=−xy2xy' + y = - x{y^2}   које задовољава почетни услов  y(1)=12y\left( 1 \right) = \frac{1}{2}.

Најпре једначину делимо са xx да би је свели на облик Бернулијеве диференцијалне једначине

xy′+y=−xy2  /:xxy' + y = - x{y^2} {\text{ }}{\text{ }} {\rm{ /:}}x

y′+1xy=−y2  /:y2y' + \frac{1}{x}y = - {y^2}{\text{ }}{\text{ }} {\rm{ /:}}{y^2}

y′y2+1x1y=−1\frac{{y'}}{{{y^2}}} + \frac{1}{x}\frac{1}{y} = - 1

1y=z  ⇒  y−1=z  ⇒  −y−2y′=z′  ⇒  y′y2=−z′\frac{1}{y} = z{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} {y^{ - 1}} = z{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} - {y^{ - 2}}y' = z'{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \frac{{y'}}{{{y^2}}} = - z'

−z′+1xz=−1  /:(−1)- z' + \frac{1}{x}z = - 1{\text{ }}{\text{ }} {\rm{ /:}}\left( { - 1} \right)

z′−1xz=1z' - \frac{1}{x}z = 1

z=uv  ⇒  z′=u′v+uv′z = uv {\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\text{ }}{\text{ }} z' = u'v + uv'

u′v+uv′−1xuv=1u'v + uv' - \frac{1}{x}uv = 1

u′v+u(v′−1xv)=1u'v + u\left( {v' - \frac{1}{x}v} \right) = 1

v′−1xv=0v' - \frac{1}{x}v = 0

dvdx=1xv\frac{{dv}}{{dx}} = \frac{1}{x}v

dvv=1xdx  /∫\frac{{dv}}{v} = \frac{1}{x}dx {\text{ }}{\text{ }} {\rm{ /}}\int {}

ln⁡∣v∣=ln⁡∣x∣\ln \left| v \right| = \ln \left| x \right|

v=xv = x

u′x=1u'x = 1

dudx=1x\frac{{du}}{{dx}} = \frac{1}{x}

du=1xdx  /∫du = \frac{1}{x}dx{\text{ }}{\text{ }} {\rm{ /}}\int {}

u=ln⁡∣x∣+ln⁡Cu = \ln \left| x \right| + \ln C

u=ln⁡xCu = \ln xC

z=uv=xln⁡xCz = uv = x\ln xC

y=1z=1xln⁡xCy = \frac{1}{z} = \frac{1}{{x\ln xC}}

Уврштавајући почетни услов

12=11⋅ln⁡1⋅C⇒ln⁡C=2⇒C=e2\frac{1}{2} = \frac{1}{{1 \cdot \ln 1 \cdot C}} \Rightarrow \ln C = 2 \Rightarrow C = {e^2}

y=1x(ln⁡x+2)y = \frac{1}{{x\left( {\ln x + 2} \right)}}

3. Одреди опште решење диференцијалне једначине y′+2xy=y3x2y' + \frac{2}{x}y = \frac{{{y^3}}}{{{x^2}}}.

y′+2xy=y3x2  /:y3y' + \frac{2}{x}y = \frac{{{y^3}}}{{{x^2}}}{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /:{y^3}

y′y3+2x1y2=1x2\frac{{y'}}{{{y^3}}} + \frac{2}{x}\frac{1}{{{y^2}}} = \frac{1}{{{x^2}}}

1y2=z  ⇒  y−2=z  ⇒  −2y−3y′=z′  ⇒  y′y3=z′−2\frac{1}{{{y^2}}} = z{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} {y^{ - 2}} = z{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} - 2{y^{ - 3}}y' = z'{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \frac{{y'}}{{{y^3}}} = \frac{{z'}}{{ - 2}}

z′−2+2xz=1x2  /⋅(−2)\frac{{z'}}{{ - 2}} + \frac{2}{x}z = \frac{1}{{{x^2}}}{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} / \cdot \left( { - 2} \right)

z′−4xz=−2x2z' - \frac{4}{x}z = - \frac{2}{{{x^2}}}

z=uv  ⇒  z′=u′v+uv′z = uv{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\text{ }}{\text{ }} z' = u'v + uv'

u′v+uv′−4xuv=−2x2u'v + uv' - \frac{4}{x}uv = - \frac{2}{{{x^2}}}

u′v+u(v′−4xv)=−2x2u'v + u\left( {v' - \frac{4}{x}v} \right) = - \frac{2}{{{x^2}}}

v′−4xv=0v' - \frac{4}{x}v = 0

dvdx=4xv\frac{{dv}}{{dx}} = \frac{4}{x}v

dvv=4xdx  /∫\frac{{dv}}{v} = \frac{4}{x}dx{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /\int {}

ln⁡∣v∣=4ln⁡∣x∣\ln \left| v \right| = 4\ln \left| x \right|

v=x4v = {x^4}

u′x4=−2x2u'{x^4} = - \frac{2}{{{x^2}}}

dudx=−2x6\frac{{du}}{{dx}} = - \frac{2}{{{x^6}}}

du=−2x6dx  /∫du = - \frac{2}{{{x^6}}}dx{\rm{ }} {\text{ }}{\text{ }} /\int {}

u=−2∫x−6dxu = - 2\int {{x^{ - 6}}dx}

u=25x5+Cu = \frac{2}{{5{x^5}}} + C

z=uv=25x+Cx4z = uv = \frac{2}{{5x}} + C{x^4}

y=1z=125x+Cx4y = \frac{1}{{\sqrt z }} = \frac{1}{{\sqrt {\frac{2}{{5x}} + C{x^4}} }}

4. Одреди опште решење диференцијалне једначине xy′+y=y2ln⁡xxy' + y = {y^2}\ln x.

xy′+y=y2ln⁡x  /:xxy' + y = {y^2}\ln x{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /:x

y′+1xy=y2ln⁡xx  /:y2y' + \frac{1}{x}y = {y^2}\frac{{\ln x}}{x}{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /:{y^2}

y′y2+1x1y=ln⁡xx\frac{{y'}}{{{y^2}}} + \frac{1}{x}\frac{1}{y} = \frac{{\ln x}}{x}

1y=z  ⇒  y−1=z  ⇒  −y−2y′=z′  ⇒  y′y2=−z′\frac{1}{y} = z{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} {y^{ - 1}} = z{\rm{ }} {\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} - {y^{ - 2}}y' = z'{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \frac{{y'}}{{{y^2}}} = - z'

−z′+1xz=ln⁡xx  /⋅(−1)- z' + \frac{1}{x}z = \frac{{\ln x}}{x}{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} / \cdot \left( { - 1} \right)

z′−1xz=−ln⁡xxz' - \frac{1}{x}z = - \frac{{\ln x}}{x}

z=uv  ⇒  z′=u′v+uv′z = uv{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\text{ }}{\text{ }} z' = u'v + uv'

u′v+uv′−1xuv=−ln⁡xxu'v + uv' - \frac{1}{x}uv = - \frac{{\ln x}}{x}

u′v+u(v′−1xv)=−ln⁡xxu'v + u\left( {v' - \frac{1}{x}v} \right) = - \frac{{\ln x}}{x}

v′−1xv=0v' - \frac{1}{x}v = 0

dvdx=1xv\frac{{dv}}{{dx}} = \frac{1}{x}v

dvv=1xdx  /∫\frac{{dv}}{v} = \frac{1}{x}dx{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /\int {}

ln⁡∣v∣=ln⁡∣x∣\ln \left| v \right| = \ln \left| x \right|

v=xv = x

u′x=−ln⁡xxu'x = - \frac{{\ln x}}{x}

dudx=−ln⁡xx2\frac{{du}}{{dx}} = - \frac{{\ln x}}{{{x^2}}}

du=−ln⁡xx2dx  /∫du = - \frac{{\ln x}}{{{x^2}}}dx{\rm{ }} {\text{ }}{\text{ }} /\int {}

u=−∫ln⁡xx2dx=∣ln⁡x=t⇒x=et1xdx=dt∣=−∫tetdt=u = - \int {\frac{{\ln x}}{{{x^2}}}dx} = \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {\ln x = t \Rightarrow x = {e^t}}\\ {\frac{1}{x}dx = dt} \end{array}} \right| = - \int {\frac{t}{{{e^t}}}} dt =

  =−∫te−tdt=∣u=tdv=e−tdtdu=dtv=−e−t∣={\text{ }}{\text{ }} = - \int {t{e^{ - t}}dt} = \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {u = t}&{dv = {e^{ - t}}dt}\\ {du = dt}&{v = - {e^{ - t}}} \end{array}} \right| =

  =−(−tet+∫e−tdt)=tet+et+C={\text{ }}{\text{ }} = - \left( { - t{e^t} + \int {{e^{ - t}}dt} } \right) = t{e^t} + {e^t} + C =

  =xln⁡x+x+C{\text{ }}{\text{ }} = x\ln x + x + C

z=uv=x2ln⁡x+x2+Cxz = uv = {x^2}\ln x + {x^2} + Cx

y=1z=1x2ln⁡x+x2+Cxy = \frac{1}{z} = \frac{1}{{{x^2}\ln x + {x^2} + Cx}}

5. Одреди опште решење диференцијалне једначине xy′−4y−x2yxy' - 4y - {x^2}\sqrt y.

xy′−4y−x2y=0  /:xxy' - 4y - {x^2}\sqrt y = 0{\rm{ }} {\text{ }}{\text{ }} /:x

y′−4xy=xy  /:yy' - \frac{4}{x}y = x\sqrt y {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /:\sqrt y

y′y−4xy=x\frac{{y'}}{{\sqrt y }} - \frac{4}{x}\sqrt y = x

y=z  ⇒  y12=z  ⇒  12y−12y′=z′  ⇒  y′y=2z′\sqrt y = z{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} {y^{\frac{1}{2}}} = z{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \frac{1}{2}{y^{ - \frac{1}{2}}}y' = z'{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \frac{{y'}}{{\sqrt y }} = 2z'

2z′−4xz=x  /:22z' - \frac{4}{x}z = x{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /:2

z′−2xz=x2z' - \frac{2}{x}z = \frac{x}{2}

z=uv  ⇒  z′=u′v+uv′z = uv {\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\text{ }}{\text{ }} z' = u'v + uv'

u′v+uv′−2xuv=x2u'v + uv' - \frac{2}{x}uv = \frac{x}{2}

u′v+u(v′−2xv)=x2u'v + u\left( {v' - \frac{2}{x}v} \right) = \frac{x}{2}

v′−2xv=0v' - \frac{2}{x}v = 0

dvdx=2xv\frac{{dv}}{{dx}} = \frac{2}{x}v

dvv=2xdx  /∫\frac{{dv}}{v} = \frac{2}{x}dx{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /\int {}

ln⁡∣v∣=2ln⁡∣x∣\ln \left| v \right| = 2\ln \left| x \right|

v=x2v = {x^2}

u′x2=x2u'{x^2} = \frac{x}{2}

dudx=12x\frac{{du}}{{dx}} = \frac{1}{{2x}}

du=12xdx  /∫du = \frac{1}{{2x}}dx{\rm{ }} {\text{ }}{\text{ }} /\int {}

u=12ln⁡∣x∣+12ln⁡Cu = \frac{1}{2}\ln \left| x \right| + \frac{1}{2}\ln C

u=ln⁡xCu = \ln \sqrt {xC}

z=uv=x2ln⁡xCz = uv = {x^2}\ln \sqrt {xC}

y=z2=x4ln⁡2xCy = {z^2} = {x^4}{\ln ^2}\sqrt {xC}

6. Одреди оно партикуларно решење диференцијалне једначине xdx=(x2y−y3)dyxdx = \left( {\frac{{{x^2}}}{y} - {y^3}} \right)dy,  које задовољава почетни услов  y(2)=1y\left( 2 \right) = 1.

Ову диференцијалну једначину није могуће свести на Бернулијеву диференцијалну једначину по yy, па ћемо је покушати свести на Бернулијеву дј по xx, односно на диференцијалну једначину облика x′+f(y)x=g(y)xαx' + f\left( y \right)x = g\left( y \right){x^\alpha }.

xdxdy=x2y−y3x\frac{{dx}}{{dy}} = \frac{{{x^2}}}{y} - {y^3}

xx′=x2y−y3  /:xxx' = \frac{{{x^2}}}{y} - {y^3}{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} /:x

x′=1yx−y3xx' = \frac{1}{y}x - \frac{{{y^3}}}{x}

x′−1yx=−y3xx' - \frac{1}{y}x = - \frac{{{y^3}}}{x}

x′−1yx=−y3x  /⋅xx' - \frac{1}{y}x = - \frac{{{y^3}}}{x}{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} / \cdot x

xx′−1yx2=−y3xx' - \frac{1}{y}{x^2} = - {y^3}

x2=z  ⇒  2xx′=z′  ⇒  xx′=z′2{x^2} = z{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\text{ }}{\text{ }} {\rm{ 2}}xx' = z'{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} xx' = \frac{{z'}}{2}

z′2−1yz=−y3  /⋅2\frac{{z'}}{2} - \frac{1}{y}z = - {y^3}{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} / \cdot 2

z′−2yz=−2y3z' - \frac{2}{y}z = - 2{y^3}

z=uv  ⇒  z′=u′v+uv′z = uv{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow{\text{ }}{\text{ }} z' = u'v + uv'

u′v+uv′−2yuv=−2y3u'v + uv' - \frac{2}{y}uv = - 2{y^3}

u′v+u(v′−2yv)=−2y3u'v + u\left( {v' - \frac{2}{y}v} \right) = - 2{y^3}

v′−2yv=0v' - \frac{2}{y}v = 0

dvdy=2yv\frac{{dv}}{{dy}} = \frac{2}{y}v

dvv=2ydy  /∫\frac{{dv}}{v} = \frac{2}{y}dy{\rm{ }} {\text{ }}{\text{ }} /\int {}

ln⁡∣v∣=2ln⁡∣y∣\ln \left| v \right| = 2\ln \left| y \right|

v=y2v = {y^2}

u′y2=−2y3u'{y^2} = - 2{y^3}

dudy=−2y\frac{{du}}{{dy}} = - 2y

du=−2ydy  /∫du = - 2ydy{\rm{ }} {\text{ }}{\text{ }} /\int {}

u=−2y22+Cu = - 2\frac{{{y^2}}}{2} + C

u=−y2+Cu = - {y^2} + C

z=−y4+Cy2z = - {y^4} + C{y^2}

x=z=−y4+Cy2=yC−y2x = \sqrt z = \sqrt { - {y^4} + C{y^2}} = y\sqrt {C - {y^2}}

Уврштавајући почетни услов

2=1⋅C−1⇒C=52 = 1 \cdot \sqrt {C - 1} \Rightarrow C = 5

x=y5−y2x = y\sqrt {5 - {y^2}}

7. Одреди опште решење диференцијалне једначине y′−ytgx+y2cos⁡x=0y' - ytgx + {y^2}\cos x = 0.

y′−ytgx=−y2cos⁡x  /:y2y' - ytgx = - {y^2}\cos x{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }}/:{y^2}

y′y2−tgx⋅1y=−cos⁡x\frac{{y'}}{{{y^2}}} - tgx \cdot \frac{1}{y} = - \cos x

1y=z  ⇒  y−1=z  ⇒  −y−2y′=z′  ⇒  y′y2=−z′\frac{1}{y} = z{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} {y^{ - 1}} = z{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} - {y^{ - 2}}y' = z'{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }} \frac{{y'}}{{{y^2}}} = - z'

−z′−tgx⋅z=−cos⁡x  /⋅(−1)- z' - tgx \cdot z = - \cos x{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }}/ \cdot \left( { - 1} \right)

z′+tgx⋅z=cos⁡xz' + tgx \cdot z = \cos x

z=uv  ⇒  z′=u′v+uv′z = uv{\text{ }}{\text{ }} \Rightarrow {\text{ }}{\text{ }} z' = u'v + uv'

u′v+uv′+tgxuv=cos⁡xu'v + uv' + tgxuv = \cos x

u′v+u(v′+tgxv)=cos⁡xu'v + u\left( {v' + tgxv} \right) = \cos x

v′+tgxv=0v' + tgxv = 0

dvdx=−tgxv\frac{{dv}}{{dx}} = - tgxv

dvv=−tgxdx  /∫\frac{{dv}}{v} = - tgxdx{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }}/\int {}

∫dvv=−∫sin⁡xcos⁡xdx\int {\frac{{dv}}{v}} = - \int {\frac{{\sin x}}{{\cos x}}dx}

          ∣cos⁡x=t−sin⁡xdx=dt∣{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} {\text{ }}{\text{ }}{\text{ }}{\text{ }} \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {\cos x = t}\\ { - \sin xdx = dt} \end{array}} \right|

ln⁡∣v∣=∫dtt\ln \left| v \right| = \int {\frac{{dt}}{t}}

ln⁡∣v∣=ln⁡∣t∣\ln \left| v \right| = \ln \left| t \right|

v=tv = t

v=cos⁡xv = \cos x

u′cos⁡x=cos⁡xu'\cos x = \cos x

dudx=1\frac{{du}}{{dx}} = 1

du=dx  /∫du = dx{\rm{ }}{\text{ }}{\text{ }}/\int {}

u=x+Cu = x + C

z=uv=(x+C)cos⁡xz = uv = \left( {x + C} \right)\cos x

y=1z=1(x+C)cos⁡xy = \frac{1}{z} = \frac{1}{{\left( {x + C} \right)\cos x}}

Бернулијева једначина има облик y′+f(x)y=g(x)yαy' + f(x)y = g(x)y^\alpha, где је α≠0\alpha \neq 0 и α≠1\alpha \neq 1 (за те вредности једначина је већ линеарна). Поделите је са yαy^\alpha: y′yα+f(x)y1−α=g(x)\frac{y'}{y^\alpha} + f(x)y^{1 - \alpha} = g(x). Смена z=y1−αz = y^{1 - \alpha} даје z′=(1−α)y′yαz' = (1 - \alpha)\frac{y'}{y^\alpha}, па једначина постаје линеарна: z′+(1−α)f(x)z=(1−α)g(x)z' + (1 - \alpha)f(x)z = (1 - \alpha)g(x). Њу решавате сменом z=uvz = uv, а на крају вратите y=z11−αy = z^{\frac{1}{1 - \alpha}}. Почетни услов y(x0)=y0y(x_0) = y_0 можете одмах пренети на нову функцију, z(x0)=y01−αz(x_0) = y_0^{1 - \alpha}, или га уврстити тек у коначно yy.

Најчешћа грешка је изостављен фактор 1−α1 - \alpha: за α=3\alpha = 3 је z=y−2z = y^{-2} и y′y3=−z′2\frac{y'}{y^3} = -\frac{z'}{2}. Ако се једначина не да свести на овај облик по yy, покушајте по xx: x′+f(y)x=g(y)xαx' + f(y)x = g(y)x^\alpha.

1234567150030004500t (год.)Pкапацитет средине
500
1
3,6 год.
Број риба P(t)
4013
Брзина раста P′(t), риба годишње
792
Решење P=50001+(5000P0−1)e−rtP = \frac{5000}{1 + \left(\frac{5000}{P_0} - 1\right)e^{-rt}} расте најбрже кад је P=2500P = 2500, на половини капацитета средине, а затим се све спорије приближава граници од 5000 риба. Почетни положај је пример из живота.

Логистички закон раста P′=rP−rKP2P' = rP - \frac{r}{K}P^2 је Бернулијева једначина: њиме еколози описују бројност риба и дивљачи у ограниченом станишту, а епидемиолози ширење заразе.

Рибе у језеру

Еколози процењују да језеро може да издржи највише 5000 риба. У језеро је пуштено 500 риба. У поједностављеном, логистичком моделу њихов број P(t)P(t), где је tt време у годинама, расте по закону P′=P−P25000P' = P - \frac{P^2}{5000}. Одредите P(t)P(t) и израчунајте после колико времена ће у језеру бити 4000 риба.

Решење

  1. Једначина P′−P=−15000P2P' - P = -\frac{1}{5000}P^2 је Бернулијева са α=2\alpha = 2. Делимо са P2P^2: P′P2−1P=−15000\frac{P'}{P^2} - \frac{1}{P} = -\frac{1}{5000}.
  2. Смена z=P1−2=1Pz = P^{1 - 2} = \frac{1}{P}, z′=−P′P2z' = -\frac{P'}{P^2}, даје −z′−z=−15000-z' - z = -\frac{1}{5000}, тј. линеарну једначину z′+z=15000z' + z = \frac{1}{5000}.
  3. Смена z=uvz = uv: из v′+v=0v' + v = 0 је v=e−tv = e^{-t}, а из u′e−t=15000u'e^{-t} = \frac{1}{5000} је u=et5000+Cu = \frac{e^t}{5000} + C, па је z=15000+Ce−tz = \frac{1}{5000} + Ce^{-t}.
  4. Почетни услов z(0)=1500z(0) = \frac{1}{500} даје C=1500−15000=95000C = \frac{1}{500} - \frac{1}{5000} = \frac{9}{5000}, па је P=1z=50001+9e−tP = \frac{1}{z} = \frac{5000}{1 + 9e^{-t}}.
  5. P=4000P = 4000 кад је 1+9e−t=541 + 9e^{-t} = \frac{5}{4}, тј. e−t=136e^{-t} = \frac{1}{36}, одакле је t=ln⁡36≈3,58t = \ln 36 \approx 3{,}58.

Одговор: Број риба је P(t)=50001+9e−tP(t) = \frac{5000}{1 + 9e^{-t}}, а 4000 риба биће у језеру после око 3,6 године.

Задатак за вежбу

Одредите решење Бернулијеве једначине y′+y=exy2y' + y = e^x y^2 које задовољава услов y(0)=1y(0) = 1.

Прикажи решење

Смена z=1yz = \frac{1}{y} даје z′−z=−exz' - z = -e^x. Из v′−v=0v' - v = 0 је v=exv = e^x, а из u′ex=−exu'e^x = -e^x је u=C−xu = C - x, па је z=ex(C−x)z = e^x(C - x). Из z(0)=1z(0) = 1 је C=1C = 1, па је y=e−x1−xy = \frac{e^{-x}}{1 - x}.