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第15章 微分方程

基础部分​

  1. 满足 的特解为
查看答案与解析

答案:

。

解析:

注意到

,

故原方程化为

。

积分得

。

由 ,有

,

所以 。因此

。

  1. 已知曲线上任一点的切线在 轴上的截距与法线在 轴上的截距之比为 ,则该曲线方程为____。
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答案:

。

解析:

设曲线上一点为 ,切线斜率为 。

切线方程为

,

令 ,得到切线在 轴上的有向截距

。

法线斜率为 ,法线方程为

。

令 ,得到法线在 轴上的有向截距

。

按通常的有向截距理解,题设给出

,

即

。

这是齐次微分方程。令 ,则 ,从而

,

即

。

分离变量得

。

积分:

。

代回 ,并合并对数,得

。

若题目把“截距之比”理解为绝对值之比,还需按截距符号另行分支讨论;上式对应微分方程教材中通常采用的有向截距约定。

  1. 设 是一阶非齐次线性微分方程 的两个特解,若常数 使 是该方程的解, 是该方程对应的齐次方程的解,则( )

A.

B.

C.

D.

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答案:

A。

解析:

记线性微分算子

。

因为 都是非齐次方程的特解,所以

。

由 仍为非齐次方程的解,得

,

故

。

又由 是齐次方程的解,得

。

原方程为非齐次方程,故 不恒为零,于是

。

联立可得

。

  1. 求微分方程 的通解。
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答案:

,即

;此外还有常值解 。

解析:

原方程直接按 求解不便,改把 看作 的函数。由

,

得

。

整理成一阶线性方程:

。

积分因子为

。

于是

。

令 ,则 ,故

。

所以

,

即

。

在变换过程中除以了 ,因此还应补上原方程的常值解 。

  1. 过原点的曲线 满足 ,则
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答案:

。

解析:

令

,

则

,且由曲线过原点知 。

于是

,

积分并利用初值得

,即

。

因此

。

当 时,

。

于是

。

故

。

  1. 微分方程 的通解为
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答案:

。

解析:

两边乘以 ,得

。

令

,

则 ,故原方程化为

。

其积分因子为 ,于是

。

积分得

,

所以

。

代回即得

。

  1. 设函数 是微分方程 满足 的解。

(1)求 的表达式;

(2)求曲线 的斜渐近线。

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答案:

(1);

(2)斜渐近线为 。

解析:

原方程的积分因子为

。

因此

。

积分得

,

即

。

由 得

,

故

。

当 时,

,

从而

。

所以斜渐近线为

。

  1. 以 面上的平面曲线段 绕 轴旋转一周所成旋转曲面与 面围成一个无上盖容器,现以 的速率把水注入容器内,水面的面积以 的速率增大。已知容器底面积为 ,求曲线 的方程。
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答案:

。

解析:

设水深为 ,水面面积为

,

容器内水的体积为 。

由薄片法,

。

题设给出

。

由链式法则,

,

故

。

又

,

所以

,

即

。

积分得

。

底面对应 ,且 ,故

。

因此

。

由于半径非负,得到

。

  1. 设 有连续导数,,且满足方程

,

求函数 。

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答案:

按原题文字,条件不足且定义域存在矛盾,不能唯一确定 。

若把 自然延拓到全实轴,并要求等式对所有 成立,则通解可写为

,

其中 是任意周期为 且满足 的连续可导函数。

解析:

首先,题设仅给出 在 上有定义,但当 时,上限 ,积分

需要用到负半轴上的函数值,因此按原文该式并未定义。

若暂时把 延拓到全实轴,则原式等价于

。

两边对 求导,得

,

即

。

令

,

则

,

所以 是周期为 的函数。于是

,

其中 。

代回原积分式:

。

要使其等于 ,还需

。

对周期为 的函数,这等价于

。

因此即使修正定义域,解仍不唯一;常见的最简单特解是

。

  1. 设 为连续函数,,求微分方程

满足初始条件 的特解 ,并证明当 时,有

。

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答案:

,且

。

解析:

积分因子为 ,故

。

从 到 积分,并利用 ,得

。

因此

。

当 时,利用 ,有

。

  1. 设函数 是微分方程

满足条件 的解,求曲线 在 上与 轴所围平面图形的面积,以及函数在区间 上的平均值。

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答案:

面积为 ;平均值为 。

解析:

将方程写成

。

积分因子为

。

于是

。

积分得

,

即

。

由 ,得 ,故

。

在 上,

,

且 ,因此曲线始终在 轴上方。面积为

。

计算得

。

在 上的平均值按反常积分理解为

。

由于

,

故

。

  1. 设曲线 经过点 ,该曲线上任一点 到 轴的距离等于该点处的切线在 轴上的截距,求 。
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答案:

。

解析:

点 到 轴的距离为 。

切线方程为

。

令 ,切线在 轴上的有向截距为

。

题设给出

,

即

。

积分因子为 ,所以

。

积分得

。

由曲线经过 ,得 ,故

。

  1. 设曲线 上点 处的切线垂直于直线 ,且该曲线满足微分方程 ,则此曲线方程为( )

A.

B.

C.

D.

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答案:

D。

解析:

直线 的斜率为 ,故与它垂直的切线斜率为

。

特征方程为

,

所以通解为

。

由 ,得 。

又

,

故

。

于是 ,从而

。

  1. 设曲线 经过原点,且在原点处的切线与直线 平行,而 满足微分方程 ,则此曲线的方程为( )

A.

B.

C.

D.

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答案:

B。

解析:

直线 的斜率为 ,故

。

特征方程为

,

其根为 。所以

。

由 得 。

此时

,

故 。因此

。

  1. 设 满足 ,且 ,,则

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答案:

。

解析:

特征方程为

,

所以

。

由 得 ;由 得 。故

。

于是

。

  1. 已知某常系数齐次线性微分方程的通解为

,

则该微分方程为

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答案:

。

解析:

由常数项 可知特征根为 。

由 、 可知另外两个特征根为

。

因此特征多项式为

。

相应微分方程为

。

  1. 微分方程

的特解形式为( )

A.

B.

C.

D.

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答案:

D。

解析:

左端特征多项式为

。

因此 是二重特征根。

右端为

,

其中 为二次多项式。按待定系数法,若指数 是特征根且重数为 ,试探特解应再乘 ,故形式为

。

  1. 已知

是某二阶常系数非齐次线性微分方程的三个解,则此微分方程为

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答案:

。

解析:

同一非齐次线性微分方程任意两个解之差均为对应齐次方程的解。

有

,

且

。

因此齐次方程的解空间由 与 张成,特征根为

。

故对应齐次算子为

。

取公共的一个特解部分 ,则

。

所以

。

故所求方程为

。

  1. 求微分方程

的通解。

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答案:

。

解析:

左端算子为 。令

,

则

。

原方程化为

。

两次积分得

,

。

因此

。

  1. 求微分方程

当 时为有界的特解。

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答案:

。

解析:

对应齐次方程的特征根为

,

故齐次解为

。

当 时,,所以要使解有界,必须取

。

设非齐次特解为

。

代入原方程,比较系数得

,

。

解得 ,故唯一满足所给有界条件的特解为

。

  1. 欧拉方程

满足条件 , 的解为 ______。

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答案:

,其中 。

解析:

设 ,得到特征方程

,

即

。

其根为

。

因此在 上,通解为

。

由 得 。

于是

。

求导并令 ,得

,

所以 。故

。

强化部分​

  1. 微分方程 的通解为
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答案:

。

解析:

整理原方程:

,

故

。

这是齐次方程。令 ,则 ,从而

。

于是

。

分离变量:

。

积分得

。

代回 并合并对数,得到

。

  1. 每一个解 都满足 的微分方程是( )

A.

B.

C.

D.

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答案:

C。

解析:

方程

的通解为

。

要使每一个解都趋于 ,必须有

。

对 A、B,系数数量级为

,

其在无穷远处的积分收敛,因此解一般趋于非零常数倍,不能保证趋于零。

对 C、D,系数数量级为

,

其积分发散。C 中指数为负,故所有解均趋于零;D 中指数为正,非零解反而发散。

因此选 C。

  1. 设 具有连续偏导数,且满足

,

则函数 满足条件 的表达式为

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答案:

。

解析:

令

。

由链式法则,

。

因此

。

又

,

故 。于是

。

  1. 设 在 上连续且有水平渐近线 ,则( )

A. 当 时, 的任意解都满足

B. 当 时, 的任意解都满足

C. 当 时, 的任意解都满足

D. 当 时, 的任意解都满足

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答案:

A。

解析:

由水平渐近线可知

。

当 时,方程的任意解可写为

。

第一项趋于零。对第二项用洛必达法则:

。

故任意解均满足

。

当 时,齐次项 一般发散,因此不能对任意解作出同样结论。

  1. 若二阶常系数齐次微分方程

的解在 上均有周期性,则( )

A.

B.

C.

D.

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答案:

D。

解析:

要使方程的所有解均为周期函数,特征根必须是一对非零纯虚根

。

对应特征多项式为

。

与

比较得

。

若 ,会出现线性函数解;若根有非零实部,解含指数增长或衰减因子,均不能保证周期性。

  1. 如果对于微分方程

的任一解 ,反常积分 均收敛,则 的取值范围为( )

A.

B.

C.

D.

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答案:

D。

解析:

要使任一解的反常积分都收敛,齐次方程的所有特征根都必须满足

。

特征方程为

。

对二阶实系数多项式,所有根实部均为负的充要条件是

。

因此

。

当根实部为零时,解含常数项或纯振荡项,其积分不收敛;故端点不能取。

  1. 以 与 为特解的最低阶常系数齐次线性微分方程为( )

A.

B.

C.

D.

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答案:

D。

解析:

常系数齐次方程若有特解 ,则特征根 至少是二重根。

若有特解 ,则特征根 至少是二重根。

最低阶特征多项式为

。

因此最低阶方程为

。

  1. 已知函数 在任意点 处的增量

,

且 ,则 ( )

A.

B.

C.

D.

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答案:

A。

解析:

由可微函数增量公式可知

。

分离变量:

。

积分得

。

由 ,得

。

所以

,

从而

。

  1. 微分方程

满足 的特解是

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答案:

。

解析:

写成微分形式

。

令

。

有

,

故为全微分方程。

由

,

积分得

。

再由

,

得

,故 。

通解为

。

代入 ,得

。

  1. 以 和 为特解的一阶非齐次线性微分方程为
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答案:

。

解析:

同一一阶非齐次线性方程的两个特解之差为对应齐次方程的解。

有

。

因此齐次方程有解 ,故其形式为

。

将特解 代入左端,得

。

所以所求非齐次方程为

。

  1. 设当 时, 有连续的一阶导数,并且满足

,

则

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答案:

。

解析:

令

。

由莱布尼茨公式,

。

对题设等式求导:

。

又由原式在 时可得

。

因此

。

故

。

分离变量并利用 ,得

,

所以

。

  1. 设 是 上的连续函数,且对任意 满足

,

,求函数 。

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答案:

。

解析:

作代换 ,有

。

记

,

则题设关系化为

,

即

。

两边求导:

,

所以

。

写成

。

积分因子为 ,故

。

积分得

。

由 得 ,所以

。

  1. 设函数 满足

,

且 在 处取得极值,求 的表达式。

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答案:

。

解析:

因为 在 处取得极值,所以

,即 。

在原方程中令 ,积分项前含因子 ,故为零,从而

。

代入 ,得

。

对 ,有

。

所以原方程写成

。

两边求导,得

,

即

。

对应齐次方程的特征根为 ,取特解 ,故

。

由 得 。

再由 得 。

因此

。

  1. 已知函数 满足

,

且其曲线的拐点的横坐标为 ,则

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答案:

在包含拐点的非负解支上,

,且相应支满足 。

解析:

令

,

则 。在 的区间上,原方程化为

,

即

。

积分得

。

因此

。

求二阶导数:

。

拐点横坐标为 ,故

,即

。

所以

。

于是

。

由于推导中取 ,故该解支应满足

;在零点处还可能因方程不满足局部唯一性而拼接零解,但包含所给拐点的光滑非零支如上。

  1. 若函数 满足关系式

,

求 。

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答案:

。

解析:

两边求导,得

,

即

。

其特征方程为

。

由于 ,两个根的实部都为负,因此满足原关系的解在 处趋于零,且其导数也趋于零,反常积分收敛。

原关系在 处给出

。

对微分方程 在 上积分:

。

利用无穷远处的极限,得到

。

再用 ,可得

。

  1. 已知函数 满足

,

且 ,求 的最小值。

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答案:

。

解析:

令

,

则 ,且 。原方程化为

。

所以

。

积分得

。

由 得 ,故

。

写成 的函数:

。

其对数导数为

。

令其为零,得

。

当 时函数递减,当 时函数递增,故最小值为

。

  1. 设 满足

,

则 在 上的最大值为

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答案:

。

解析:

分离变量:

。

注意

,

故

。

由 得 ,因此

。

令

。

则

。

令 ,得 。此点为最大值点,故

。

  1. 若微分方程

的所有解都以 为周期,则

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答案:

。

解析:

通解为

。

解经过一个周期 后的倍率为

。

因为

,

所以倍率为

。

要使所有解都以 为周期,必须且只需该倍率为 ,即

。

故

。

  1. 当 时,函数 满足

,

且 ,则 的最大值为( )

A.

B.

C.

D.

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答案:

D。

解析:

原方程化为

。

注意

,

故

。

由 得 ,所以

。

令

。

则

。

故在 处取得最大值,且

。

  1. 设函数 在 上连续,且满足

。

(1)求 的表达式;

(2)求曲线 与 在 上围成的图形绕 轴旋转一周所成旋转体的体积。

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答案:

(1);

(2)。

解析:

对原等式求导:

。

在原式中令 ,得

。

设特解为 ,代入得

。

因此

,

解得

。

通解为

。

由 得 ,故

。

在区间 上,。绕 轴旋转所得体积为

。

所以

。

利用

,

且该区间长度为 ,同时

,

得到

。

  1. 微分方程

满足 的解为

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答案:

,等价地,在满足初值的连续分支上

。

解析:

原方程为

。

令

,

则

。

分离变量:

。

由于

,

积分得

。

由 ,有 ,故

。

因此

。

  1. 设 ,则微分方程

满足 的特解为

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答案:

。

解析:

这里 。令

,

则

,

。

代入原方程:

,

即

。

在包含初值点的分支上,,故

。

所以

。

条件 保证右端非负,与 相容。于是

,

从而

。

  1. 微分方程

的通解为

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答案:

。

解析:

两边乘以 ,得

。

令

,

则 ,故

。

积分因子为

。

在不跨越 的任一区间上,可写成

。

积分得

。

因此

,

并需在右端为正的区间上取解。

  1. 设曲线 过原点且在原点处与曲线 有公共切线,且函数 满足方程

,

则

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答案:

。

解析:

曲线过原点,且与 在原点有公共切线,因此

。

特征方程为

,

所以

。

由初值条件得

,

故

。

于是

。

  1. 设下列 为任意常数,则微分方程

有特解形如( )

A.

B.

C.

D.

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答案:

D。

解析:

将右端写成

。

常数项对应的试探特解可取常数 。

齐次方程

的特征根为 ,因此 与 已属于齐次解。对共振项 ,试探特解必须乘以 。

故完整试探形式可写为

。

  1. 微分方程

的通解为

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答案:

。

解析:

对应齐次方程的特征根为

,

故

。

令

。

则

。

因此

。

令 ,则

。

可取一个特解

,

故

。

于是

。

所以通解为

。

  1. 设三阶常系数齐次线性微分方程有特解 与 ,则该微分方程为( )

A.

B.

C.

D.

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答案:

B。

解析:

有特解 ,说明特征根包含

。

有特解 ,说明还包含特征根

。

故三阶特征多项式为

。

因此微分方程为

。

  1. 设函数 满足微分方程

,

且当 时 ,求 。

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答案:

。

解析:

特征方程为

。

故通解为

。

条件 等价于

。

于是

,

,

,

。

解得

。

因此

。

  1. 设 是

的一个非零特解。

(1)证明

是与 线性无关的另一个特解;

(2)求

的通解,其中 是方程的一个解。

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答案:

(1)所给 是另一特解,且与 线性无关;

(2)。

解析:

(1)令

。

则

,

。

代入原方程,并利用 ,得到

。

令 ,则

。

因此

。

取 ,积分即得

,

从而得到题设的 。

两解的朗斯基行列式为

,

故 线性无关。

(2)本题中

。

由公式,

。

在不跨越 的区间上,

。

等价地分别在 或 上计算,得到

。

所以通解为

。

  1. 将以 为未知函数的微分方程

化为以 为未知函数的形式,并求其通解。

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答案:

化为

;

通解为

。

解析:

把 看作 的函数。记

,

则

,

并且

。

代入原方程:

。

乘以 ,得到

。

对应齐次方程的通解为

。

对 ,因与齐次解共振,可取特解

。

对 ,可取

。

所以通解为

。

  1. 设 满足关系式

,

且 ,,则

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答案:

按原题给出的一个条件,解不能唯一确定;满足条件的解族为

。

解析:

令

,并把 视为 的函数。因为

,

所以

,

。

因此

。

又 ,故原方程化为

。

通解为

。

由

,

得到

。

条件 给出

,

故仅能推出

,而 任意。

因此解族为

。

原方程为二阶方程,通常需要两个独立条件才能唯一确定解;原题现有文字缺少一个条件。

  1. 设函数 满足 。

(1)证明 ;

(2)令 ,化(1)中方程为常系数线性微分方程,并求 。

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答案:

按原题写成的 ,结论(1)一般不成立,题目存在明显识别或排版错误。

若原条件应为常见题型 ,则

,且相应欧拉方程的通解为

。

解析:

严格按原文,若

,

则求导只能得到

,

无法推出

。

因此,按现有条件只能得到含有伸缩自变量 的泛函微分关系,不能推出题目要求的欧拉方程;原题显然存在识别或排版错误。

若把条件修正为

,

则

。

再由原关系在自变量 处有

,

故

,

即

。

令 ,设 ,则

。

于是欧拉方程化为

。

特征根为

,

所以

。

代回 得上式。

  1. 设 具有二阶连续偏导数,且满足

,

又已知 ,求 的表达式。

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答案:

,

其中 , 为常数。

解析:

因为

,

原方程化为

。

两边除以

,得

。

第一项只依赖 ,第二项只依赖 ,故必存在常数 ,使

。

由于 ,故 。

于是

,

。

所以

,

。

积分得

,

。

故

。

  1. 设函数 在 内可导,对任意的 ,均有

成立,且 ,求 的表达式。

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答案:

按原题上限写成固定的 时,条件与 矛盾,不存在满足条件的函数。

若左端第一项的上限原应为常见的乘积 ,即

,

则

。

解析:

先严格按现有文字检验。记

,

。

题设等式写成

。

令 ,得

,

故 。再令 ,有 ,所以 ,进而 ,即 ,这与 矛盾。因此原文中的固定上限 不可能正确。

若将其修正为教材中常见的

,

对 求偏导,得

。

令 ,并利用 ,得到

,

即

。

两边对 求导:

,

所以

。

积分得

。

由 ,得 。故

。

  1. 设函数 具有二阶导数,曲线 与直线 相切于原点,且曲线 在点 处切线的倾角 关于 的变化率与曲线 在该点的切线斜率相等,求 。
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答案:

,

在经过原点的实值解支上有 。

解析:

曲线与 在原点相切,故

。

又 ,且题设给出

。

因此

。

令 ,则

。

积分:

。

由 ,得

。

解得经过初值的正支

。

于是

。

令 ,得

。

由 ,得 。故

。

  1. 设平面曲线 满足 ,,且对曲线上任意点 ,沿曲线从点 到点 的弧长等于该曲线在点 的切线斜率。

(1)求 ;

(2)求 与 及坐标轴所围平面区域 的形心。

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答案:

(1);

(2)形心为

。

解析:

(1)记从 到 的弧长为

。

题设给出

。

两边求导:

。

令 ,则

。

由 ,得

,即

。

积分并利用 ,得

。

(2)设 。区域为

。

面积

。

形心横坐标为

。

分部积分:

。

由于

,

故

。

形心纵坐标为

。

利用

,

得

。

又

,

所以

。

  1. 设曲线 , 为 上任意一点, 为 上的一定点,且曲线 与极径 所围成的曲边扇形面积值等于曲线 上 两点间弧长值的一半,求曲线 的方程。
查看答案与解析

答案:

,取经过 且 的相应局部支。

解析:

从 到 的曲边扇形面积为

。

相应弧长为

。

题设给出

。

两边对 求导,得

。

平方后

。

因此

。

积分得

。

由 ,有

。

所以

,

即

。

正负号对应从定点沿曲线的两个可能方向。

  1. 微分方程

满足初始条件 , 的特解为

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答案:

。

解析:

观察幂函数形式,设

。

则

,

代入方程得

,

所以非零解满足

。

于是

。

检验初值:

,

,故

。

因此该函数即为所求特解。

  1. 微分方程

满足 的解为

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答案:

隐式解可写为

,

即

。

解析:

由于初值点处右端含 在分母中,直接把 看作 的函数不便。改把 看作 的函数:

。

令

,

则

。

所以

。

积分因子为

,故

。

积分:

。

因此

。

由 时 ,即 ,得

,所以 。

故

。

  1. 设 具有二阶连续导数,,,且微分方程

为全微分方程。

(1)求 ;

(2)求该全微分方程的通解。

查看答案与解析

答案:

(1);

(2)

。

解析:

令

,

。

全微分方程要求

。

计算得

,

。

因此

。

其通解为

。

由 得 ;由 得 。所以

。

下面求势函数 。由

,

对 积分:

。

求偏导:

。

利用 ,有

。

与 比较,得

。

故通解为

。

又

,

因此

。