Решение линейного уравнения методом подстановки

Решение уравнения (20) будем искать в виде произведения двух функций от

Подставим у и у' в уравнение (20):

(22)

Сгруппируем слагаемые с в первой степени (можно с u):

Выберем функцию такой, чтобы множитель с обращался в .

Таким образом, получим систему

Решая первое уравнение системы (уравнение с разделяющимися переменными относительно и , найдем искомую функцию .

Так как одна из неизвестных функций и может быть выбрана произвольно, то в качестве возьмем любое частное (ненулевое) решение уравнения , а в качестве возьмем общее решение второго уравнения системы , в которое, прежде чем решать его, подставим найденную функцию .

Общее решение уравнения (20) запишем в виде , подставив найденные функции.

Замечание. Если в уравнении (22) сначала вынести общий множитель u в первой степени, то искомые функции найдем в обратном порядке, вначале , а потом .

Пример 12. Решить задачу Коши

Решение. Данное уравнение линейно относительно у и у'.

Решение ищем в виде

Подставим у и у' в уравнение

Вынесем в первой степени за скобки

Полагаем , тогда

Таким образом, получим систему

Решаем первое уравнение системы, Это уравнение с разделяющимися переменными.

Интегрируя полученное уравнение, имеем

(постоянную интегрирования при нахождении не вводим, т.к. достаточно найти любое (ненулевое) частное решение уравнения ).

Далее

Подставим во второе уравнение системы и найдем :

Интегрируя, получим общее решение второго уравнения системы:

Таким образом, общее решение данного линейного уравнения имеет вид:

Найдем частное решение уравнения. Используя начальное условие найдем с.

Подставив и в общее решение линейного уравнения, получим

Тогда частное решение линейного уравнения при имеет вид:

Пример 13. Решить задачу Коши

Решение. Данное уравнение нелинейно относительно и .

Преобразуем уравнение, воспользовавшись там, что :

Полученное уравнение линейно относительно и .

Решение будем искать в виде

Тогда

Подставим и в уравнение

Вначале решаем первое уравнение системы

- частное решение первого уравнения системы.

Подставим во второе уравнение системы :

Вычислим отдельно каждый интеграл:

б)

Подставляя решение этих двух интегралов в , получим

Тогда, общее решение линейного дифференциального уравнения (23) имеет вид:

Воспользуемся начальными условиями и найдем .

Тогда частное решение линейного уравнения (23) при имеет вид:

5. Уравнение Бернулли

Определение. Уравнение вида

(24)

называется уравнением Бернулли, где и - непрерывные функции от , , .

Замечание. При получается линейное уравнение первого порядка относительно и , а при получается уравнение с разделяющимися переменными.

Уравнение Бернулли приводится к линейному следующим образом:

Разделим все члены уравнения (24) на

(25)

Сделаем замену:

Тогда

Подставим в уравнение (25) вместо

Умножим полученное уравнение на :

(26)