베르누이 미분방정식

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Bernoulli differential equation

1. 개요2. 해법

1. 개요[편집]

베르누이 미분방정식은 yytt의 함수일 때 다음과 같이 표현되는 비선형 1계 상미분 방정식이다.
y(t)+p(t)y(t)=q(t)y(t)n(n0,1)y'(t) + p(t) y(t) = q(t) y(t)^n\qquad(n\neq 0, 1)[1]

이 방정식은 1695년 이를 처음으로 연구한 야코프 베르누이의 이름을 붙였다. 베르누이 미분방정식은 비선형 상미분방정식임에도 일반해를 구하는 방법이 알려져 있는 특수한 경우이다. 로지스틱 방정식은 베르누이 미분방정식의 한 예다.

2. 해법[편집]

자명해가 아닌 해를 구하려면 양변을 yny^n로 나누고 u=1yn1\displaystyle u = \frac{1}{y^{n-1}}로 치환하여 다음과 같은 선형 상미분방정식으로 변환한다.
u(t)+(1n)p(t)u(t)=(1n)q(t)u'(t) + (1-n) p(t) u(t) = (1-n) q(t)
이렇게 치환된 문제는 적분인자를 사용한 해법으로 쉽게 해를 구할 수 있다. 이 치환된 문제의 해를 u(t)u^*(t)라 하면 베르누이 미분방정식의 해는 y(t)=[u(t)]11n\displaystyle y(t) = \Big[u^*(t)\Big]^{\frac{1}{1-n}}이다.

풀이를 쉽게 하기 위해 위의 식에서 P(t)=(1n)p(t)P(t) = (1-n) p(t)라고 하고 Q(t)=(1n)q(t)Q(t)=(1-n)q(t)라고 하면 적분인자는 eP(t)dt\displaystyle e^{\int P(t)\,\mathrm{d}t}이고, 이로부터 u(t)u^*(t)를 다음과 같이 얻을 수 있다.
u(t)=eP(t)dtQ(t)dt+CeP(t)dt=(1n)e(1n)p(t)dtq(t)dt+Ce(1n)p(t)dt\displaystyle u^*(t) = \frac{\int e^{\int P(t)\,\mathrm{d}t} Q(t)\,\mathrm{d}t + C}{e^{\int P(t)\,\mathrm{d}t}} = \frac{(1-n)\int e^{(1-n)\int p(t)\,\mathrm{d}t} q(t)\,\mathrm{d}t + C}{e^{(1-n)\int p(t)\,\mathrm{d}t}}
따라서 초기조건에 따라 적분상수 CC를 적당한 값으로 정해주면 y(t)y(t)는 다음과 같다.
y(t)=[(1n)e(1n)p(t)dtq(t)dt+Ce(1n)p(t)dt]11n\displaystyle y(t) = \left[ \frac{(1-n)\int e^{(1-n)\int p(t)\,\mathrm{d}t} q(t)\,\mathrm{d}t + C}{e^{(1-n)\int p(t)\,\mathrm{d}t}}\right]^{\frac{1}{1-n}}
[1] 여기서 n=0n=0 또는 n=1n=1이면 선형 1계 상미분 방정식으로 쉽게 풀린다.