14.1 第十次作业参考答案

14.1.1 习题8.3

例 14.1.1 (习题8.3.1)求解以下微分方程:

(1)

(1+x2)y2xy=0

(2)

y+2y21y=0

(3)

yyy2=0

(4)

yy3=0

(5)

x(x+1)y(4x+2)y+6y=0

(6)

x2y(x1)2y+y=0

(7)

yy2=0,y(0)=0,y(0)=1

(1) 以p=y为因变量可实现降维,同时方程可分离变量,故有(1)dpp=2x1+x2dxln|p|=ln(1+x2)+Cy=p=C1(1+x2) 积分可得(2)y=C1(x+x33)+C2

(2) 方程不显含x,故可令p=y,则y=pdpdy,代入原方程可得(3)pdpdy+2p21y=0dpp=2dyy1dydx=p=C1(1y)2 再次变量分离可得(4)dy(1y)2=C1dx11y=C1x+C2y=11C1x+C2

(3) 同(2)可得(5)ypdpdyp2=0dpp=dyydydx=p=C1y 再次变量分离可得(6)dyy=C1dxy=C2eC1x

(4) 同(1)可得(7)dpp3=dx12p2=x+Cy=p=±1C12x 积分可得(8)y=±C12x+C2

(5) 注意到(9)(yxk)=xykyxk+1,(yxk)=xykyxk+1 为了凑出二阶和零阶项系数,尝试(10)(yxk+yxk16kyxk)=xykyxk+1+xy(k1)yxk6kxykyxk+1=x(x+1)y[(k1+6k)x+k]y+6yxk+1 故有(11)(k1+6k)x+k=4x+2k=2 因此(12)[(1+x)y3yx2]=x(x+1)y(4x+2)y+6yx3=0(1+x)y3yx2=C1 利用积分因子法可得(13)C1x2(1+x)4=(1+x)y3y(1+x)4=[y(1+x)3] 积分可得(14)y=C2(1+x)3+C1(1+x)3[(1+x)22(1+x)+1(1+x)4d(1+x)]=C2(1+x)3+C1(1+x)3[11+x+1(1+x)213(1+x)3]=C2(1+x)313C1(3x2+3x+1) 重新选择C1,C2可使得(15)y=C2x3+C1(3x2+3x+1)

(5’) 由于方程是线性的,且y(k)的系数ak(x)均为次数为k的多项式,故我们可以猜测方程具有多项式解:(16)y=a0+a1x+a2x2+a3x3 代入原方程可得(17)(6a02a1)+(2a12a2)x=0a2=a1=3a0,a3R 因此(18)y=C2x3+C1(3x2+3x+1)

(6) 注意到(19)x2y+(2x1)y+x2yy=(x2yy)(x2yy)=0 由此解得(20)x2yy=C1ex 再利用常数变易法可得(21)y=C2e1/x+C1e1/x1xet+1/tt2dt

(7) 同(4)可得(22)dpp2=dx1p=x+Cy=p=1x+C1 积分可得(23)y=ln|x+C1|+C2 代入初值条件可得C1=1,C2=0,故原方程的解为(24)y=ln(1x)

14.1.2 习题8.4

例 14.1.2 (习题8.4.2)设n0n1,将Bernoulli方程y+P(x)y=Q(x)yn变为线性微分方程。

参考第12.2.6节,令z=y1n,则n满足的方程为(25)z+(1n)P(x)z=(1n)Q(x)

例 14.1.3 (习题8.4.3)给定Riccati方程y+p(x)y+q(x)y2=f(x)

(1)

证明:若y1(x),y2(x)是Riccati方程的任意两个解,则z(x)=y1(x)y2(x)满足某个Bernoulli方程,并求出该Bernoulli方程;

(2)

验证y=1xy=y22x2的一个解,并求出该方程的通解。

(1) 由题可得(26){y1+p(x)y1+q(x)y12f(x)=0y2+p(x)y2+q(x)y22f(x)=0 两式相减可得(27)z+p(x)z+q(x)z(z+2y2)=0z+[p(x)+2q(x)y2(x)]z=q(x)z2

(2) 验证略。设另一个解为y=1x+z,则z满足的微分方程为(28)z=2xz+z2zz2+2x1z+1=0 利用积分因子x2可得(29)(x2z)=x2zz+2xz=x2x2z=13(x3+C1)z=3x2x3+C1 故原方程的通解为(30)y=1x3x2x3+C1

例 14.1.4 (习题8.4.4)求解以下微分方程:(31)2yyy2=0

参考例13.3.2

例 14.1.5 (习题8.4.5)试写出一个二阶线性微分方程使得1x,1x1都是该微分方程的解。

我们考虑更一般性的问题:设y1,y2满足二阶线性微分方程(32)y+a1(x)y+a0(x)y=0 代入y1,y2可得(33){a0(x)y1+a1(x)y1=y1a0(x)y2+a1(x)y2=y2 利用Cramer法则可得(34)a1(x)=y2y1y1y2W[y1,y2],a0(x)=y1y2y2y1W[y1,y2] 其中W[y1,y2]=y1y2y2y1表示Wronsky行列式。代入y1=1xy2=1x1可得(35)y+24xxx2y+2x2xy=0

例 14.1.6 (习题8.4.7)求区间(1,+)上的可微函数f使得(36)f(x)+f(x)1x+10xf(t)dt=0,f(0)=1

F(x)=0xf(t)dt,则F二阶可微且满足F(x)=f(x),故有F满足以下微分方程:(37)F+F1x+1F=0,F(0)=0,F(0)=1 容易观察到F的特解为F(x)=x+1,代入式(???)可得(38)F(x)=C1(x+1)+C2(x+1)0xet(t+1)2dt 代入初值条件可得(39)C1=0,C1+C2=1F(x)=(x+1)0xet(t+1)2dt 因此(40)f(x)=F(x)=exx+1+0xet(t+1)2dt

14.1.3 习题8.6

例 14.1.7 (习题8.6.1)设aRb是可微函数且恒正,求解以下微分方程:(41)y+bbya2b2y=0

考虑变换u=u(x),使得原方程变为y=y(u)的常系数线性方程。注意到(42)y=dydx=dudxdydu=udyduy=ddx(udydu)=udydu+ududxd2ydu2=udydu+u2d2ydu2 代入原方程可得(43)u2d2ydu2+(u+bbu)dydua2b2y=0 利用积分因子expbbdx=b可恰好将其凑成(44)d2ydu2+(ub)u2bdydua2(ub)2y=0 故可令ub=1,即u(x)=x0xdtb(t),则原方程可化为(45)d2ydu2a2y=0y=C1eau(x)+C2eau(x)

例 14.1.8 (习题8.6.2)求解以下微分方程:(46)2x2y+a(1+xy)2+xy1=0

由于方程只包含xyx2y,故可尝试Euler方程的换元法:令t=ln|x|,则有(47)xy=xdtdxdydt=dydtx2y=x2ddx(1xdydt)=x2(1x2dydt+1xdtdxd2ydt2)=d2ydt2dydt 再令p=dydt,代入原方程可得(48)2(dpdtp)+a(1+p)2+p1=02dpdt+(a1+ap)(1+p)=0 解得(49)dydt=p=(1a)et/2C1aet/2C1 积分可得(50)y={t+2aln(aet/2+C1)+C2,a0t+2C1et/2+C2,a=0 代回t=ln|x|,重新选择C1,C2可得原方程的通解为(51)y={ln|x|+2aln(|x|+C1)+C2,a0ln|x|+2C1|x|+C2,a=0