Bernolli Equation 03A041
1. مسئله: حل معادله دیفرانسیل برنولی $y' + \frac{y}{x} = x^4 y^3$.
2. معادله برنولی به شکل کلی است: $y' + P(x)y = Q(x)y^n$ که در اینجا $P(x) = \frac{1}{x}$، $Q(x) = x^4$ و $n=3$.
3. برای حل، ابتدا متغیر کمکی $z = y^{1-n} = y^{1-3} = y^{-2}$ را تعریف میکنیم.
4. مشتق $z$ نسبت به $x$ برابر است با:
$$z' = (1-n)y^{-n}y' = -2 y^{-3} y'$$
5. از معادله اصلی داریم:
$$y' = -\frac{y}{x} + x^4 y^3$$
6. جایگذاری در رابطه $z'$:
$$z' = -2 y^{-3} \left(-\frac{y}{x} + x^4 y^3\right) = -2 \left(-\frac{y^{-2}}{x} + x^4\right) = -2 \left(-\frac{z}{x} + x^4\right) = \frac{2z}{x} - 2 x^4$$
7. معادله جدید برای $z$ به صورت خطی است:
$$z' - \frac{2}{x} z = -2 x^4$$
8. ضریب انتگرالگیرنده:
$$\mu(x) = e^{-\int \frac{2}{x} dx} = e^{-2 \ln|x|} = x^{-2}$$
9. ضرب معادله در $\mu(x)$:
$$x^{-2} z' - \frac{2}{x} x^{-2} z = -2 x^4 x^{-2} \Rightarrow (x^{-2} z)' = -2 x^{2}$$
10. انتگرالگیری دو طرف:
$$x^{-2} z = \int -2 x^{2} dx = -2 \frac{x^{3}}{3} + C = -\frac{2}{3} x^{3} + C$$
11. حل برای $z$:
$$z = x^{2} \left(-\frac{2}{3} x^{3} + C\right) = -\frac{2}{3} x^{5} + C x^{2}$$
12. بازگرداندن به $y$:
$$y^{-2} = z = -\frac{2}{3} x^{5} + C x^{2}$$
13. در نهایت:
$$y = \pm \frac{1}{\sqrt{-\frac{2}{3} x^{5} + C x^{2}}}$$
این جواب کلی معادله دیفرانسیل برنولی داده شده است.