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viernes, 2 de diciembre de 2011

Ecuaciones diferenciales de Bernoulli

Las ecuaciones diferenciales de Bernoulli son ecuaciones diferenciales ordinarias de primer orden, formuladas por Jakob Bernoulli y resueltas por su hermano Johann, que se caracterizan por tener la forma:
\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x)y^\alpha
donde \!P(x) y \!Q(x) son funciones continuas en un intervalo [a,b] \subseteq \mathbb{R} 

Caso general

Si se descuentan los casos particulares en que α=0 y α=1 y se divide la ecuación por yα se obtiene:
\frac{y'}{y^\alpha}+\frac{P(x)}{y^{(\alpha-1)}}=Q(x)
Definiendo:
Z(x):=\frac{1}{y^{(\alpha-1)}}
lleva inmediatamente a las relaciones:
Z'(x)= -\frac{\alpha-1}{y^\alpha}y' \qquad \Rightarrow \frac{y'(x)}{y^\alpha}=-\frac{1}{\alpha-1}Z'(x)
Gracias a esta última relación se puede reescribir como:
\!Z'(x)+ (1-\alpha)\!P(x)\!Z(x)=(1-\alpha)\!Q(x)
Ecuación a la cual se puede aplicar el método de resolución de una ecuación diferencial lineal obteniendo como resultado:
Z(x) = {\frac { \left( 1-\alpha \right) \int \!Q \left( x \right){e^{
\left( 1-\alpha \right) \int \!P \left( x \right) {dx}}} {dx}+C}{{e^{
\left( 1-\alpha \right) \int \!P \left( x \right) {dx}}}}}
Donde C \in \mathbb{R} es una constante arbitraria. Pero como Z = y1-α se tiene que:
{y^{(\alpha-1)}}={\frac {{e^{
\left( 1-\alpha \right) \int \!P \left( x \right) {dx}}}}{ \left( 1-\alpha \right) \int \!Q \left( x \right){e^{
\left( 1-\alpha \right) \int \!P \left( x \right) {dx}}} {dx}+C}} \qquad \Rightarrow y(x)={\sqrt [\alpha-1]{\frac {{e^{-(\alpha-1)\int \!P \left( x \right) {dx}}}}{ \left( 1-\alpha \right) \int \!Q \left( x \right){e^{
\left( 1-\alpha \right) \int \!P \left( x \right) {dx}}} {dx}+C}}}


Finalmente, las funciones que satisfacen la ecuación diferencial pueden calcularse utilizando la expresión:
y(x)={\frac {{e^{-\int \!P \left( x \right) {dx}}}}{\sqrt [\alpha-1]{ \left( 1-\alpha \right) \int \!Q \left( x \right) {e^{
\left( 1-\alpha \right) \int \!P \left( x \right) {dx}}}{dx}+C}}}
Con C \in \mathbb{R}.

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