數學 · 常微分方程 · 13

Bernoulli方程Bernoulli equations

未知函數的冪次能換一個名字,讓方程重新變成線性嗎?

這裡的 Bernoulli 方程指一類微分方程,不是流體力學的能量關係式。代換有效的同時,也會排除一些必須另外找回的解。

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同一個 y′+y=y²,初值決定不同命運

比較零解、兩個平衡點之間的解,以及大於 1 的初值。

所選初值的解平衡線/爆破邊界
y(0)=1/2 給 y=1/(1+eˣ)。y≡0 與 y≡1 都是解。y(0)=2 給 y=1/(1−eˣ/2),只能在 x<ln2 的初值分支上使用。
兩軸的畫面比例可能不同;讀斜率請比較座標變化。顯示範圍有限,離開畫面不等於解終止。
v(0)=1/y(0)
往前解的有效範圍

先辨認哪個冪次造成非線性

右邊的 yⁿ 在 n≠0、1 且 q 不恆為零時帶來非線性;不同的冪次也提供了換元線索。

y′ + p(x)y = q(x)yⁿn 是固定實數;p、q 是已知函數。先在冪函數有定義、可微的範圍內工作。

右側的 yⁿ 讓方程一般不再線性。但它與左側的 y 只差一個冪次,這給了代換的線索。若 n=0,按常數項 1 解讀右側,方程已是 y′+py=q;若 n=1,移項得 y′+(p−q)y=0。這兩種情況直接用線性法。

以下假設 n≠0、1。對任意實數 n,先限制 y>0 是安全而清楚的選擇,因為 yⁿ 可用 enln y 定義。整數或某些有理冪也允許負值,但要依原式選擇實數分支,不能無條件套同一個反代換。

代換不是猜完就算:把鏈鎖法則寫出來

換元不能猜完就用。把鏈鎖法則實際寫出來,順便看清楚哪些值被排除掉了。

  1. 在非零分支上除以 yⁿ

    y⁻ⁿy′ + p(x)y¹⁻ⁿ = q(x)

    這一步把零值排除,所以先記下:零解稍後回到原式單獨判斷。

  2. 把重複的冪次設為新變數

    v = y¹⁻ⁿ

    v 也是 x 的函數,不是常數。要微分時必須連同 y(x) 的導數一起算。

  3. 用鏈鎖法則接上導數

    v′ = (1−n)y⁻ⁿy′

    因此第一項 y⁻ⁿy′ 等於 v′/(1−n),不能漏掉係數 1−n。

  4. 整理成新的線性方程

    v′ + (1−n)p(x)v = (1−n)q(x)

    現在的未知量是 v,p、q 仍只依賴 x。用積分因子求 v,再回到所選的 y 分支。

解出 v 並不是結束。形式上 y=v1/(1−n),但這個式子只有在你選的實數分支內才代表原本的 y;例如 v=y² 會失去 y 的正負資訊。初始值、反代換、分母零點,都要再檢查。

完整例題:y′+y=y²,y(0)=1/2

完整走一次:除以 yⁿ、換成新變數 v、用線性方法解 v、再換回 y。

  1. 非零分支選 v=1/y

    v′=−y′/y²

    這裡 n=2,所以 1−n=−1。

  2. 除以 y² 並換元

    y′/y²+1/y=1 ⇒ −v′+v=1

    再乘 −1 得 v′−v=−1。注意右側與 v 項的符號一起改變。

  3. 解線性方程

    μ=e⁻ˣ;(e⁻ˣv)′=−e⁻ˣ

    積分得 e⁻ˣv=e⁻ˣ+C,故 v=1+Ceˣ。

  4. 用初值並反代換

    v(0)=2 ⇒ C=1;y=1/(1+eˣ)

    分母對所有 x 都正,初值解在整條實數軸成立。

  5. 直接檢查原來的非線性方程

    y′=−eˣ/(1+eˣ)²

    y′+y=[−eˣ+(1+eˣ)]/(1+eˣ)²=1/(1+eˣ)²=y²,且 y(0)=1/2。

從新變數看,v=1+eˣ 逐漸增大;從原變數看,y 是它的倒數,逐漸趨零。圖的走勢與代數這樣接上,而不是單靠圖去猜解。

零解、負解、有限區間,都要回來找

除法排除掉的解要回頭找。零解、負解、有限區間,三件事都要交代。

本例 y≡0 的確滿足 0+0=0,但 v=1/y 永遠不能表示它。另一方面 y≡1 已包含在 C=0 的非零解族中;列出平衡解有助於辨認,但不能因此說兩個都被代換遺失。

若 y(0)=2,則 v(0)=1/2、C=−1/2:

y = 1/(1−eˣ/2),I = (−∞, ln2)

分母在 x=ln2 為零。零點右邊的公式雖能算出數字,卻是另一個連通區間的解,不能穿過無限大延續這個初值問題。圖上只畫往前的部分 0≤x<ln2。

若 y(0)=−1,則 C=−2,y=1/(1−2eˣ),含初值的最大區間為 (−ln2,∞)。因 n=2 是整數,此負分支有意義;不是因為「所有實數冪都允許負 y」。

一般 Bernoulli 方程的零解,要由原式決定。n>0 時,在採用通常的實數冪定義且係數有定義之處,y≡0 可直接代回;n<0 時 yⁿ 在零未定義。對 0<n<1,零附近還可能不唯一,例如 y′=√y 有等待後才離開零的解。非零代換不能宣稱已列盡所有穿過零的解。

練習:先說代換允許哪一段

先說清楚「這個換元在哪一段有效」,再開始算。

1. y′+2y=3y,還需要 Bernoulli 代換嗎?

看完整推理

n=1,直接整理成 y′−y=0,解 y=Ceˣ,含 C=0。若硬用 v=y⁰,v 恆為 1,會把所有 y 的資訊丟掉。

2. 解 y′+y=y³,y(0)=1/2。

看完整推理

n=3,非零分支取 v=y⁻²,得到 v′−2v=−2。解 v=1+Ce²ˣ,初值 v(0)=4 給 C=3。由正初值選 y=1/√(1+3e²ˣ),I=ℝ。其導數為 −3e²ˣ/(1+3e²ˣ)^(3/2),加上 y 後正好為 y³。負號分支與零解須另由初值選擇。

3. 對 y′=√y,能把 y≡0 加回就說解齊了嗎?

看完整推理

不能。對任意 a≥0,取 y=0(x≤a),y=(x−a)²/4(x>a),在接點兩側導數都趨零,且滿足 y′=√y、y(0)=0。非零區間的計算看不到可以選擇的等待時間。這是非唯一性的構造,不只是某個定理的條件沒過。

從未知函數換元,轉向尋找不變量

到目前為止都在處理 y(x)。下一頁改看整個平面上的 F(x, y)。

目前的方法都在處理 y(x)。下一頁把視野打開到平面上的 F(x,y):如果沿著解曲線 F 永遠不變,能否反過來找出微分方程的解?

來源與範圍

定義與定理條件依下列作者/大學教材核對。本文的說明、例題與互動另行推導編寫。圖上小數是近似顯示;一般定理的引用不等於圖形能證明它。本頁以原式代回與明確的區間支持例題結論。