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)y″−2xy′=0

(2)

y″+2y′21−y=0

(3)

yy″−y′2=0

(4)

y″−y′3=0

(5)

x(x+1)y″−(4x+2)y′+6y=0

(6)

x2y″−(x−1)2y′+y=0

(7)

y″−y′2=0,y(0)=0,y′(0)=1

解 (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+x2dx⟹ln⁡|p|=ln⁡(1+x2)+C⟹y′=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+2p21−y=0⟹dpp=2dyy−1⟹dydx=p=C1(1−y)2 再次变量分离可得(4)dy(1−y)2=C1dx⟹11−y=C1x+C2⟹y=1−1C1x+C2

(3) 同(2)可得(5)ypdpdy−p2=0⟹dpp=dyy⟹dydx=p=C1y 再次变量分离可得(6)dyy=C1dx⟹y=C2eC1x

(4) 同(1)可得(7)dpp3=dx⟹−12p2=x+C⟹y′=p=±1C1−2x 积分可得(8)y=±C1−2x+C2

(5) 注意到(9)(yxk)′=xy′−kyxk+1,(y′xk)′=xy″−ky′xk+1 为了凑出二阶和零阶项系数,尝试(10)(y′xk+y′xk−1−6kyxk)′=xy″−ky′xk+1+xy″−(k−1)y′xk−6kxy′−kyxk+1=x(x+1)y″−[(k−1+6k)x+k]y′+6yxk+1 故有(11)(k−1+6k)x+k=4x+2⟹k=2 因此(12)[(1+x)y′−3yx2]′=x(x+1)y″−(4x+2)y′+6yx3=0⟹(1+x)y′−3yx2=C1 利用积分因子法可得(13)C1x2(1+x)4=(1+x)y′−3y(1+x)4=[y(1+x)3]′ 积分可得(14)y=C2(1+x)3+C1(1+x)3∫[(1+x)2−2(1+x)+1(1+x)4d(1+x)]=C2(1+x)3+C1(1+x)3[−11+x+1(1+x)2−13(1+x)3]=C2(1+x)3−13C1(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)(6a0−2a1)+(2a1−2a2)x=0⟹a2=a1=3a0,a3∈R 因此(18)y=C2x3+C1(3x2+3x+1)

(6) 注意到(19)x2y″+(2x−1)y′+x2y′−y=(x2y′−y)′−(x2y′−y)=0 由此解得(20)x2y′−y=C1ex 再利用常数变易法可得(21)y=C2e−1/x+C1e−1/x∫1xet+1/tt2dt

(7) 同(4)可得(22)dpp2=dx⟹−1p=x+C⟹y′=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⁡(1−x) ◻

14.1.2 习题8.4

例 14.1.2 (习题8.4.2)设n≠0且n≠1,将Bernoulli方程y′+P(x)y=Q(x)yn变为线性微分方程。

解 参考第12.2.6节,令z=y1−n,则n满足的方程为(25)z′+(1−n)P(x)z=(1−n)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=1x是y′=y2−2x2的一个解,并求出该方程的通解。

解 (1) 由题可得(26){y1′+p(x)y1+q(x)y12−f(x)=0y2′+p(x)y2+q(x)y22−f(x)=0 两式相减可得(27)z′+p(x)z+q(x)z(z+2y2)=0⟹z′+[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+z2⟹−z′z2+2x1z+1=0 利用积分因子x2可得(29)(x2z)′=−x2z′z+2xz=−x2⟹x2z=−13(x3+C1)⟹z=−3x2x3+C1 故原方程的通解为(30)y=1x−3x2x3+C1 ◻

例 14.1.4 (习题8.4.4)求解以下微分方程:(31)2yy″−y′2=0

解 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,1x−1都是该微分方程的解。

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′=−y1″a0(x)y2+a1(x)y2′=−y2″ 利用Cramer法则可得(34)a1(x)=y2y1″−y1y2″W[y1,y2],a0(x)=y1′y2″−y2′y1″W[y1,y2] 其中W[y1,y2]=y1y2′−y2y1′表示Wronsky行列式。代入y1=1x、y2=1x−1可得(35)y″+2−4xx−x2y′+2x2−xy=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+1∫0xf(t)dt=0,f(0)=1

解 令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″+F′−1x+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)∫0xe−t(t+1)2dt 代入初值条件可得(39)C1=0,C1+C2=1⟹F(x)=(x+1)∫0xe−t(t+1)2dt 因此(40)f(x)=F′(x)=e−xx+1+∫0xe−t(t+1)2dt ◻

14.1.3 习题8.6

例 14.1.7 (习题8.6.1)设a∈R、b是可微函数且恒正,求解以下微分方程:(41)y″+b′by′−a2b2y=0

解 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=u′dyduy″=ddx(u′dydu)=u″dydu+u′dudxd2ydu2=u″dydu+u′2d2ydu2 代入原方程可得(43)u′2d2ydu2+(u″+b′bu′)dydu−a2b2y=0 利用积分因子exp⁡∫b′bdx=b可恰好将其凑成(44)d2ydu2+(u′b)′u′2bdydu−a2(u′b)2y=0 故可令u′b=1,即u(x)=∫x0xdtb(t),则原方程可化为(45)d2ydu2−a2y=0⟹y=C1eau(x)+C2e−au(x) ◻

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

解 由于方程只包含xy′和x2y″,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)=d2ydt2−dydt 再令p=dydt,代入原方程可得(48)2(dpdt−p)+a(1+p)2+p−1=0⟹2dpdt+(a−1+ap)(1+p)=0 解得(49)dydt=p=(1−a)et/2−C1aet/2−C1 积分可得(50)y={−t+2aln⁡(aet/2+C1)+C2,a≠0−t+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,a≠0−ln⁡|x|+2C1|x|+C2,a=0 ◻