13.1 第九次作业参考答案

13.1.1 习题8.2

例 13.1.1 (习题8.2.1)求区间[0,+∞)上的可微函数f使得(1)ln⁡|f(x)|+∫0xf(t)dt=0

解 令x=0可得(2)ln⁡|f(0)|=0⟹f(0)=±1 由于f可微,对积分方程两边求导可得(3)f′(x)f(x)+f(x)=0⟹−dff2=dx 两边积分可得(4)1f(x)=x+C⟹f(x)=1x+C 由f(0)=±1可得C=±1;C=−1需要舍去,因为此时f(x)在x=1处间断。因此f(x)=1x+1。 ◻

例 13.1.2 (习题8.2.2)求解微分方程y′=2xy2,并回答以下问题:

(1)

证明:∀x0∈R、∀y0≠0,该方程存在唯一解满足初始条件y(x0)=y0,且在它的定义域中总有y(x)≠0;

(2)

对(1)中的解y(x),求它的定义域;

(3)

证明:∀x0,y0∈R,该方程有唯一解满足初始条件y(x0)=y0。

(4)

写出该方程的通解,并证明通解并非该方程的全部解。

注 在讨论微分方程的解时,我们通常只在解的存在区间上关注解的性质(存在性、唯一性、适定性)。

引理 13.1.3 设f在区间[a,b]上单调不减且满足f(a)=0、f(b)>0。证明:∃ξ∈[a,b)使得(∀x<ξ)f(x)=0且(∀x>ξ)f(x)>0。

证明 令[a0,b0]=[a,b],考虑ξn=an+bn2:

  • 若f(ξn)=0则令an+1=ξn,即f(an+1)=0;
  • 若f(ξn)>0则令bn+1=ξn,即f(bn+1)>0。

由有界闭区间套定理以及limn→+∞(bn−an)=0知⋂n=0∞[an,bn]={ξ}且ξ=limn→+∞an=limn→+∞bn,此时

  • ∀x<ξ,∃N>0使得n>N⟹x<an⟹f(x)≤f(an)=0;
  • ∀x>ξ,∃N>0使得n>N⟹x>bn⟹f(x)≥f(bn)>0。

故引理成立。进一步地,若f连续,则(5)f(ξ)=f(limn→+∞an)=limn→+∞f(an)=0 ◻

解 (1) 设y在区间I⊆R上恒有定义且x0∈I,此时I连通,下面我们只在I上考虑y(x)。首先证明:(结论I)若y(x)≠0,则该方程存在唯一解满足y(x0)=y0。考虑函数(6)g(x)=1y(x)+x2⟹g′(x)=0 由Lagrange中值定理可得∀x∈I且x≠x0,存在x,x0之间的ξ满足(7)g(x)−g(x0)=g′(ξ)(x−x0)=0⟹y(x)=11y0+x02−x2 因此原方程具有唯一解,且此解满足y(x)≠0。

然后证明:(结论II)若y0≠0且0∉I,则y(x)≠0。当0∉I时y具有单调性,故不妨设y0>0且y在I上单调不减。假设∃ξ∈I使得y(ξ)=0,则ξ<x0,由引理知∃η∈[ξ,x0)满足y(η)=0且(∀x>η)y(x)>0,在[η,x0)上应用结论I可知原方程有唯一解y(x)=11y0+x02−x2,然而此时y(η)≠0,矛盾!故y(x)≠0。

最后证明:(结论III)若y0≠0,则y(x)≠0。结论II已证明0∉I的情况;当0∈I时,分别在I∩(−∞,0]和I∩[0,+∞)上应用结论II可知y(x)≠0。

综上所述,由结论III和结论I可知原方程具有唯一解,且此解满足y(x)≠0。

(2) 当1y0+x02<0,即当x=0且y<0、x≠0且−1x2<y<0时,y(x)的定义域为R;当1y0+x02≥0,即当y>0、x≠0且y≤−1x2时,记c0=1y0+x02,y(x)的定义域为(−∞,−c0)∪(c0,+∞)。

(3) 若y0=0,假设∃ξ∈I使得y(ξ)≠0,由(1)可知(ξ,y(ξ))确定了唯一解y(x),然而此时y(x0)≠0,矛盾!故y(x)=0,亦是原方程的唯一解。

(4) 由题可得(8)dyy2=2xdx⟹−1y=x2+C⟹y=−1x2+C 为原方程的通解;此外方程还有特解y=0,其并不包含在通解中。 ◻

另解 解的唯一性可直接利用Grönwall不等式证明,参考例14.2.4。 ◻

例 13.1.4 (习题8.2.3)讨论以下微分方程初值问题解的存在性与唯一性,以及解的定义域:(9){y′=yy(x0)=y0

解 利用分离变量法求解微分方程可得(10)dyy=dx⟹2y=x+C⟹y=(x+C2)2 然而此时方程出现增解,代入原方程可得(11)x+C2=(x+C2)2⟹x≥−C 由于y需满足y≥0,故当y0<0时原方程无解。当y0>0时,由题可得(12)y0=(x0+C2)2⟹C=±2y0−x0 C=−2y0−x0需要舍去,因为此时x0不在定义域[−C,+∞)中。故当y0>0时原方程具有唯一解,且定义域为(x0−2y0,+∞)。

此外方程还有特解y=0,其并不包含在通解中。故当y0=0时,方程有无数个解1;除了y=0以外,它们具有以下形式:(13)y={0x≤ξ(x−ξ2)2x>ξ 其中ξ是任意不小于x0的实数。 ◻

例 13.1.5 (习题8.2.4)设P(x,y),Q(x,y)都是k次齐次函数,即∀λ>0、∀(x,y)≠(0,0),都有(14)P(λx,λy)=λkP(x,y),Q(λx,λy)=λkQ(x,y) 因此在xy坐标平面中沿从原点出发的每条射线平移,微分方程(15)P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0 对应的方向场保持不变。证明:在平面极坐标系下,上述微分方程是分离变量的。

证明 作极坐标换元(x,y)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ)可得(16){dx=cos⁡θdr−rsin⁡θdθdy=sin⁡θdr+rcos⁡θdθ⟹(dxdy)=(cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ)(drrdθ) 故有(17)0=P(x,y)dx+Q(x,y)dy=(P(x,y)Q(x,y))(dxdy)=(P(rcos⁡θ,rsin⁡θ)Q(rcos⁡θ,rsin⁡θ))(cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ)(drrdθ)=rk(P(cos⁡θ,sin⁡θ)Q(cos⁡θ,sin⁡θ))(cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ)⏟(M(θ)  N(θ))(drrdθ)=rk(M(θ)N(θ))(drrdθ)=rk(M(θ)dr+N(θ)rdθ) 故原方程可化为如下变量分离形式(18)drr+N(θ)M(θ)dθ=0 ◻

例 13.1.6 (习题8.2.7)求解以下微分方程:(19)y′=x2(y−2x3)2y+3x3

解 原方程可化为(20)x(yx3)′+3yx3=y′x2=yx3−22yx3+3 作换元p=yx3可得(21)xp′=p−22p+3−3p=−2(1+p)(1+3p)2p+3⟹(71+3p−11+p)dp+4dxx=0 两边积分可得(22)73ln⁡|1+3p|−ln⁡|1+p|+4ln⁡|x|=13ln⁡|(1+3p)7x12(1+p)3|=C~ 故原方程的通解为(23)(3y+x3)7=C(y+x3)3 由此得到隐函数形式的通解。 ◻

例 13.1.7 (习题8.2.8)考虑二阶微分方程(24)y″1+y′2+axy′−yx2+y2=0

(1)

考虑坐标变换(ξ,η)=(λx,λy),求(ξ,η)坐标系下相应的微分方程;

(2)

考虑坐标变换(x,y)=eu(θ)(cos⁡θ,sin⁡θ),求(u,θ)坐标系下相应的微分方程;

(3)

求解原微分方程。

解 (1) 作坐标变换(ξ,η)=(λx,λy)可得(25)dηdξ=λdyλdx=y′,d2ηdξ2=dxdξddx(dηdξ)=y″λ 方便起见,我们仍用η′,η″表示dηdξ,d2ηdξ2,则原方程可化为(26)η″1+η′2+aξη′−ηξ2+η2=0 即原方程在原点位似变换下保持不变。

(2) 注意到原方程可化为(27)d(arctan⁡1y′−aarctan⁡yx)=0⟹arctan⁡1y′−aarctan⁡yx=C1 计算可得(28)yx=tan⁡θ,y′=dydx=dydθdxdθ=cos⁡θ+u′(θ)sin⁡θ−sin⁡θ+u′(θ)cos⁡θ=1+u′(θ)tan⁡θu′(θ)−tan⁡θ 令v(θ)=arctan⁡u′(θ),代入可得(29)arctan⁡tan⁡v(θ)−tan⁡θ1+tan⁡v(θ)tan⁡θ−aarctan⁡tan⁡θ=C1⟹v(θ)−(1+a)θ=C1 亦即(30)arctan⁡u′(θ)−(1+a)θ=C1⟹u″1+u′2=1+a

(3) 根据上述过程可得:当a≠−1时,有(31)u′(θ)=tan⁡((1+a)θ+C1)⟹u(θ)=−11+aln⁡|cos⁡((1+a)θ+C1)|+C2 当a=−1时,有(32)v(θ)=C~1⟹u′(θ)=C1⟹u(θ)=C1θ+C2 由此得到参数方程形式的通解,转换成隐函数形式可得(33)12ln⁡(x2+y2)=u(θ)={−11+aln⁡|cos⁡((1+a)arctan⁡yx+C1)|+C2,a≠−1C1arctan⁡yx+C2,a=−1 ◻

注 本题利用了例13.1.5的重要结论:如果一阶微分方程(34)dydx=f(x,y) 满足f是k次齐次函数(本题k=1,即在原点位似变换(ξ,η)=(λx,λy)下保持不变),那么在极坐标变换后,该方程是分离变量的;而指数函数ρ(θ)=eu(θ)的选择不仅可以保证半径恒正,还可以将伸缩变换(ρ的乘除)转化成平移变换(u的加减)。这为我们解决一些特殊的微分方程提供了一种新的思路。

PIC
(a) 习题8.2.7:隐函数
PIC
(b) 习题8.2.8:参数方程
图 13.1.1: 如何在Wolfram Mathematica中数值验证隐函数和参数方程形式的解

例 13.1.8 (习题8.2.11)求解以下微分方程:

(1)

2xe−x2sin⁡ydx−e−x2cos⁡ydy=0

(2)

(yexy+cos⁡x)dx+xexydy=0

解 (1) 原方程可化为(35)2xdx−cot⁡ydy=0⟹x2−ln⁡|sin⁡y|=C~ 令C=±e−C~可得原方程的通解为(36)y(x)=arcsin⁡(Cex2)

(2) 原方程可化为(37)cos⁡xdx+exy(ydx+xdy)=d(sin⁡x+exy)=0⟹exy+sin⁡x=C 故原方程的通解为(38)y=ln⁡(C−sin⁡x)x ◻

1此处鸣谢黄添豪、杨鼎两位同学。