一階方程:恰當方程與代換

代換 v = y^(1-n)(Bernoulli substitution)

這是把白努利方程線性化的那個精確變數變換。面對 y' + p(x) y = q(x) y^n,你想讓那個惹事的冪次消失;代換 v = y^(1 - n) 正是為此而設計。它是(繼 v = y/x 之後)選取新變數使彆扭方程瞬間化為你已會的形式的第二大範例。

看它如何運作。把白努利方程兩邊除以 y^n:y^(-n) y' + p(x) y^(1-n) = q(x)。現在令 v = y^(1-n)。由連鎖律其導數為 v' = (1 - n) y^(-n) y',所以 y^(-n) y' = v'/(1 - n)。代入後,方程成為 v'/(1 - n) + p(x) v = q(x),再乘以 (1 - n) 得到乾淨的線性方程 v' + (1 - n) p(x) v = (1 - n) q(x)。現在每一項對 v 都是一次的——沒有冪次——所以標準積分因子配方適用。解出 v 後,藉由反轉 v = y^(1-n) 回到 y。

更深的教訓是:正確的代換不是魔法而是設計:你挑選 v,使它的導數恰好吸收掉那個麻煩的因子 y^(-n)。看出該吸收什麼,才是可遷移的本領——同樣的思路化簡黎卡提方程,也把方程化為可分離形式。

對 y' - (2/x) y = x^2 y^2(故 n = 2),v = y^(1-2) = y^(-1)。則 v' + (2/x) v = -x^2,一個積分因子為 x^2 的線性方程。求解:(x^2 v)' = -x^4,所以 x^2 v = -x^5/5 + C,最終 y = 1/v = x^2/(C - x^5/5)。

v 經設計使 v' 吸收掉 y^(-n) 因子,留下一個線性方程。

因子 (1 - n) 同時乘上線性方程中的 p 項與 q 項——白努利解算錯時,這裡的符號錯誤是常見元兇。並且記得 1 - n 可以是負的。

又称
Bernoulli substitutionlinearizing substitution白努利代換