几道微分方程题

作者: Raow1 | 来源:发表于2021-07-13 00:21 被阅读0次

    13. 求欧拉方程:x^2y''+xy'-25y=0

    x=e^t

    原方程化为D(D-1)y+Dy-25y=0

    即,D^2y-25y=0。此方程为二阶常系数齐次线性常微分方程。

    其特征方程为,r^2-25=0

    所以,r=\pm 5

    所以,易得y=C_1e^{5t}+C_2e^{-5t}

    即,y=C_1x^5+\frac{C_2}{x^5}

    14. 求一阶线性微分方程:\frac{\mathrm dy}{\mathrm dx}-4\frac{y}{x}=x^3

    直接代入一阶线性微分方程的求解公式:y=e^{- \int P(x) \mathrm dx} (\int Q(x) e^{\int P(x) \mathrm dx} \mathrm dx +C)

    容易解得,y=x^4(\ln x +C)

    15. 求一阶微分方程:(6\frac{\ln x}{x^2}-5x^3\cos y)\mathrm dx+x^4\sin y \mathrm dy=0

    P(x,y)=6\frac{\ln x}{x^2}-5x^3\cos y

    Q(x,y)=x^4\sin y

    则,\frac{\partial P}{\partial y}=5x^3\sin y

    \frac{\partial Q}{\partial x}=4x^3\sin y \neq \frac{\partial P}{\partial y}

    容易知道,积分因子\mu (x) =x能使原方程变为恰当方程。

    所以方程两边同乘\mu (x)=x

    (6\frac{\ln x}{x}-5x^4\cos y)\mathrm dx+x^5\sin y \mathrm dy=0

    R(x,y)=6\frac{\ln x}{x}-5x^4\cos y

    S(x,y)=x^5\sin y

    则显然有,\frac{\partial R}{\partial x}=5x^4\sin y = \frac{\partial S}{\partial y}

    所以存在u(x,y)=C,满足上述微分方程,且\frac{\partial u}{\partial x}=R, \frac{\partial u}{\partial y}=S

    \frac{\partial u}{\partial x}=R=6\frac{\ln x}{x}-5x^4\cos y

    易得,u(x,y)=\int R\mathrm dx=3\ln ^2x-x^5\cos y+\varphi(y)

    所以,\frac{\partial u}{\partial y}=x^5\sin y + \varphi '(y)=S

    所以,\varphi ' (y)=0\varphi (y)=c_1

    代入可得,u(x,y)=3\ln ^2x-x^5\cos y+c_1

    所以,微分方程的解为,3\ln ^2x-x^5\cos y=C

    16. 利用参数法求:y=2+\ln [1+(\frac{\mathrm dy}{\mathrm dx})^2]

    \frac{\mathrm dy}{\mathrm dx}=\tan t

    所以,y=2+\ln(\sec^2t)

    两边同时求微分,所以有\mathrm dy=2\tan t \mathrm dt

    又因为\frac{\mathrm dy}{\mathrm dx}=\tan t

    所以,\frac{2\tan t \mathrm dt}{\mathrm dx}=\tan t

    所以,t=\frac{1}{2}x+C

    代入y=2+\ln(\sec^2t)

    即得,y=2+\ln(\sec^2(\frac{1}{2}x+C))

    17. 利用降阶法求:(y+1)y''+(y')^2=0

    显然是不显含x的方程,令\frac{\mathrm dy}{\mathrm dx}=p

    则,\frac{\mathrm d ^2 y}{\mathrm d x^2}=p\frac{\mathrm dp}{\mathrm dy}

    原式转化为,(y+1)p\frac{\mathrm dp}{\mathrm dy}+p^2=0

    即,(y+1)\frac{\mathrm dp}{\mathrm dy}=-p显然为可分离变量的微分方程

    容易求得,p=\frac{c_1}{y+1}

    即,\frac{\mathrm dy}{\mathrm dx}=\frac{c_1}{y+1}也为可分离变量的微分方程

    易得,\frac{1}{2}y^2+y=c_1x+c_2

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