12.3 习题课讲解

12.3.1 一阶微分方程

例 12.3.1 画出以下微分方程的斜率场的大致图像,并根据斜率场的特点说明方程的解的特征:

(1)

y=x(1x)

(2)

y=y1+y2

(3)

y=xyx+y

(4)

y=sin(x2+y2)

利用Mathematica绘制的斜率场如图12.3.1所示。斜率场的特征为:

(1)

y=f(x,y)=g(x)的斜率场只与x有关,故将某条积分曲线沿y轴平移后,其仍为积分曲线。

(2)

y=f(x,y)=g(y)的斜率场只与y有关,故将某条积分曲线沿x轴平移后,其仍为积分曲线。

(3)

对于y=f(x,y)=g(yx)的斜率场,注意到f(ax,ay)=f(x,y),故将某条积分曲线沿原点作伸缩变换后,其仍为积分曲线。

(4)

对于y=f(x,y)=g(x2+y2)的斜率场,其在以原点为中心的同心圆上保持不变,故将某条积分曲线绕原点旋转后,其仍为积分曲线。

PIC
(a) y=x(1x)
PIC
(b) y=y1+y2
PIC
(c) y=xyx+y
PIC
(d) y=sin(x2+y2)
图 12.3.1: 绘制的斜率场

例 12.3.2 求以下微分方程的通解:

(1)

y=x(1x)

(2)

y=y1+y2

(3)

y=xyx+y

(4)

y=(x+y+3)2

(1)

y=x(1x),分离变量得(1)dydx=xx2y=x22x33+C

(2)

y=y1+y2,分离变量得(2)dxdy=1+y2yx=y22+ln|y|+C 此即方程的通解。当y>0(或y<0)时xy>0(或xy<0),所以x=x(y)有可微的反函数y=y(x)。此外,方程还有特解y=0

(3)

y=xyx+y,令u=yx,则(3)xdudx=1u1+uu=12uu21+u 因此(4)dln|x|=dxx=(1+u)du12uu2=12dln|u2+2u1| 两边积分可得(5)ln|u2+2u1|+2ln|x|=Cy2+2xyx2=C

(4)

y=(x+y+3)2,令u=x+y+3,则(6)dudx=dydx+1=1+u2du1+u2=dx 两边积分可得(7)arctanu=x+Carctan(x+y+3)=x+C

(1)

一阶微分方程F(x,y,y)=0的解允许是由代数方程G(x,y)=C表示的曲线,函数G叫做微分方程的首次积分,物理上它是一个守恒量。

(2)

微分方程具有的对称性(变换下的不变性)意味着它存在某种形式的首次积分,即某种守恒量。

(3)

可以利用微分方程的对称性得到求解微分方程的方法。

例 12.3.3 求下列方程的解:

(1)

y=x(y1)y+xy

(2)

y=xy

(3)

(1+ex)yy=ex,y(1)=1

(4)

(1x)dy=(1+y)dx

(5)

3xdyy(2xcosx)dx=0

(6)

(ex+yex)dx+(ex+y+ey)dy=0

这些方程都是可分离变量的方程,故此处仅列出答案。

(1)

(y1)(x+1)eyx=C

(2)

y=(13x3/2+C)2

(3)

y=2ln(1+ex)+12ln(1+e)

(4)

(1+y)(1x)=C

(5)

y=Cx2/3esinx

(6)

(ex+1)(ey1)=C

例 12.3.4 平面直角坐标系中,与y轴平行的光线经曲线y=y(x)反射后汇聚于原点。求曲线的方程。

曲线的切向量为t=(1,y),法向量为n=(y,1)。假设光沿y轴负方向入射,则入射光的单位方向向量为a=(0,1),反射光的单位方向向量为(8)b=(x,y)x2+y2 由反射定律可得(9)nb=na1=xyyx2+y2y=yx+1+(yx)2u=yx,则(10)xdudx=u+1+u2udu1+u2=dxx 两边积分可得(11)ln|u+1+u2|=ln|x|+Cu+1+u2=Cx 解得(12)u=(Cx)212Cxy=C2x212C 即为抛物线。

例 12.3.5 求曲线族xy=C的正交曲线族。

该曲线族满足的微分方程为(13)ydx+xdy=0 由此可得该曲线族的正交向量场为(y,x),它应当为正交曲线族的切向量场,因此(14)xdxydy=0x2y2=C

12.3.2 一阶线性方程

例 12.3.6 Pα,n是所有形如eαxP(x)的拟多项式组成的线性空间,其中P是次数不超过n的多项式。证明:

(1)

λR,若αλ,则fPα,nyλy=fPα,n中有唯一解。

(2)

fPλ,nyλy=fPλ,n+1中有无穷多解,这些解彼此相差eλx的一个常数倍数。

证明 (1) 记L=ddxλ,则(15)L(eαxxkk!)=eαx[(αλ)xkk!+xk1(k1)!] 因此LPα,n到自身的线性变换,在基(16){eαx,eαxx,,eαxxnn!} 下的表示矩阵为(17)A=(αλ1αλ1αλ1αλ)(n+1)×(n+1)αλ时,A可逆,从而LPα,n到自身的可逆线性变换。

(2) L:Pλ,n+1Pλ,n的矩阵表示为(0,In+1)(n+1)×(n+2),所以L是满射、但不是单射,所以fPλ,nyλy=fPλ,n+1中有无穷多解,这些解彼此相差ceλx

例 12.3.7 求下列方程的解:

(1)

y2y=exx2

(2)

y+y=sinx

(3)

yy=xex

(1) 齐次方程的通解为y=Ce2x。设(18)y=c(ex,exx,exx22) 由此可得(19)(110011001)c=(002)c=(222)y(x)=ex(2+2x+x2) 由此得到非齐次方程的特解。因此非齐次方程的通解为(20)y=Ce2xex(2+2x+x2)

(2) 齐次方程的通解为y=Cex。注意到(21)L(sinx)=cosx+sinxL(cosx)=sinx+cosx 因此(22)sinx=L(sinxcosx2)y=sinxcosx2 由此得到非齐次方程的特解。因此非齐次方程的通解为(23)y=Cex+sinxcosx2

(3) 齐次方程的通解为y=Cex。注意到(24)L(exx22)=exx 由此得到非齐次方程的特解。因此非齐次方程的通解为(25)y=Cex+exx22

例 12.3.8 求下列方程的解:

(1)

y+2xy=2x3y2

(2)

y=ay2+bx2,4ab>1

(1) 这是Bernoulli方程。令z=y12=y1,则(26)z=y2y=y2(2x3y22xy)=2x3+2xz 解得(27)z=Cex2+x2+1y=1Cex2+x2+1 此外,y=0也是方程的解。

(2) 这是Riccati方程的特例。令z=1y,则(28)z=y2y=y2(ay2+bx2)=ab(zx)2Δ=4ab1,由此解得(29)z=1+ΔtanΔ(C1lnx)22bx=1y