第六章 常微分方程
选择题
- 方程
满足条件 的特解是
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答案: D
解析: 原方程可分离变量:
两边积分,得
从而在初值点附近可写成
因此
代入初值 ,注意
故
所以特解为
(A)、(B)、(C)代入原方程或初值条件均不能同时成立。
- 设 是任意常数,则以下函数可以看作某个二阶微分方程的通解的是
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答案: D
解析: 一般来说, 阶微分方程的通解应含有 个相互独立的任意常数。二阶微分方程的通解应含两个相互独立的任意常数。
对于(D),
含有两个独立任意常数。并且 与 线性无关,因此可作为某个二阶微分方程的通解。
其余选项:
- (A)含有三个独立任意常数,通常对应三阶微分方程;
- (B)只含一个任意常数;
- (C)虽然写有 ,但
其中常数只通过乘积 出现,实际上只有一个独立任意常数。
- 方程
的特解的形式为
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答案: B
解析: 对应齐次方程
的特征方程为
解得
故齐次方程的通解为
非齐次项
与齐次方程对应的基本解同型,发生共振。由于特征根 均为单根,待定特解应在通常形式前乘以 ,即
所以选(B)。
(A)未乘 ,与齐次解重复;(C)、(D)不仅未处理共振,而且形式中缺少另一项,通常不能满足方程。
- 设 为二阶变系数齐次线性方程
的两个特解,则 ( 为任意常数)是该方程通解的充分条件为
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答案: B
解析: 二阶齐次线性微分方程的解空间是二维线性空间。两个特解 能构成一组基本解的充分条件是它们线性无关。
判断两函数线性无关可使用朗斯基行列式
若
则 线性无关,因而
是该方程的通解。
(A)对应朗斯基行列式为零,不能保证线性无关;(C)、(D)中的加号表达式不是判断两个解线性无关的朗斯基行列式。
填空题
- 下列微分方程中(填序号) 是线性微分方程。
①
②
③
④
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答案: ②③
解析: 线性微分方程要求未知函数 及其各阶导数都只以一次幂出现,且它们之间不能相乘,其系数只能是自变量 的函数。
- ① 含有 ,是非线性方程;
- ② 可化为
是一阶线性微分方程;
- ③ 中 均为一次,系数只依赖于 ,是二阶线性微分方程;
- ④ 中
含有 ,是非线性方程。
- 已知
的一个解是 ,又知
均是
的解,则此方程的通解是 。
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解析: 两个非齐次方程特解之差必为对应齐次方程的解。于是
是齐次方程的一个解。
题目又给出齐次方程的一个解 。由于
与
线性无关,所以齐次方程通解可写为
将常数重新记号后,也可写为
取非齐次方程的一个特解
故原方程通解为
- 已知方程
的两个特解 ,则该方程满足初值 , 的解为 。
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解析: 由已知两个线性无关特解,方程通解为
于是
代入初值 ,得
再由 ,得
所以
因此所求解为
- 微分方程
的通解为 。
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解析: 特征方程为
即
因此有二重特征根
二阶常系数齐次线性微分方程对应二重实根时,其通解为
代入 ,得到
计算题与证明题
- 求下列微分方程的通解:
(Ⅰ)
(Ⅱ)
(Ⅲ)
(Ⅳ)
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答案: (Ⅰ)
(Ⅱ)
也可写成
(Ⅲ)
(Ⅳ)
或
(Ⅰ)一阶线性微分方程
将原方程改写为
当先在不含点 的区间上求解时,两边除以 ,得
这是关于 的一阶线性微分方程,其积分因子为
两边同乘积分因子,得到
积分得
因此
该表达式在 处也有定义,并且代入原方程仍成立,所以可作为原方程的通解。
(Ⅱ)把 看作 的函数
原方程可写为
由于式中含有 ,故 。两边除以 ,得
这是关于 的一阶线性微分方程。积分因子为
两边同乘 ,得
积分后得到
即
这里 不能用初等函数表示。若用指数积分函数
表示,则
从而通解也可写成
(Ⅲ)齐次微分方程
原方程写成导数形式为
各项关于 均为一次齐次式,因此令
代入原方程:
约去公因子并整理,得
于是
作部分分式分解:
因此
两边乘以 并指数化,得
代入 ,有
从而
其中 与 也包含在常数 所对应的解中。
(Ⅳ)伯努利方程
方程
是伯努利方程。首先,显然
是一个解。
以下设 ,令
则
由原方程
所以
即
这是关于 的一阶线性微分方程。积分因子为
两边同乘积分因子,得
积分得
于是
再代回 ,得
将任意常数重新记号,得到非零解族
因此原方程的解为
或
- 求下列微分方程的通解或特解:
(Ⅰ)
(Ⅱ)
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- 求方程
的通解;又设 是满足 , 的特解,求
其中 , 为常数。
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答案: 令
方程的通解为
满足初值条件的特解为
并且
解析: 特征方程为
由于
所以
令
则两个不同实根为
故通解为
由
得
又
由
得
联立解得
因此满足初值条件的特解为
因为
所以
从而当 时,
且所求反常积分收敛。
对原方程在 上积分:
由初值及无穷远处的极限,
因此
故
- 设 在 内可导,且在 处的增量
满足
其中当 时 是 的等价无穷小,又 ,求 。
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解析: 由于 可导,当 时有
又因为 与 等价,所以
将已知增量关系两边除以 ,得
令 ,得到
即
这是一阶线性微分方程。其积分因子为
两边同乘积分因子,得到
积分得
于是
由初值条件 ,得
所以
因此
- 设函数 连续,且
求 。
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答案: 不存在满足题设条件的连续函数 。
解析: 对右端第二个积分作变量代换
当 时,;当 时,,且
于是
因此原等式化为
两边消去相同的积分项,得到
但该等式不可能对所有 成立,例如当
时,
故题设积分方程本身存在矛盾,不存在满足条件的连续函数 。
- 设有微分方程
试求在 内的连续函数 ,使之在 和 内都满足所给方程,且满足条件 。
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解析: 当 时,方程为
对应齐次方程的通解为
取常数特解 ,故
由条件 ,得
所以
于是
当 时,方程为
故
题目要求 在整个实轴上连续,因此在 处应满足
即
从而
故
再令
即可得到所求连续函数。
- 设函数 在 上连续,且满足方程
试求 。
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解析: 将二重积分化为极坐标形式。令
积分区域为
因此
令
则
故原积分方程化为
由于 连续,可对两边关于 求导,得
即
这是一个一阶线性微分方程,其积分因子为
于是
积分得
由原方程在 时可得
故 。因此
将其代回原积分方程可验证等式成立。
- 已知
是某二阶线性常系数非齐次方程的三个特解,试求其通解及该微分方程。
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答案: 所求微分方程为
其通解为
解析: 同一个线性非齐次微分方程的任意两个特解之差,都是对应齐次方程的解。由
可知 是齐次方程的一个解。
又
由于齐次方程的解集是线性空间,而 已是其解,所以
也是齐次方程的解。
因此对应齐次方程有两个线性无关的解
其特征方程为
即
故齐次方程为
设原非齐次方程为
代入特解
由于 是齐次方程的解,只需计算 对应的非齐次项。令
则
于是
因此,依据题面给出的三个特解,原方程应为
此时可取一个特解为
故通解为
说明:若题目右端被抄写为 ,则与所给三个特解不相符;由直接代入可知正确右端应为
- 求解初值问题
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解析: 原方程可写成
方程中不显含自变量 ,令
则
代入原方程,得
即
积分得
所以
由初值
得
故
于是
在初值点附近 ,故可写为
分离变量后积分,可得
由初值点 在曲线上,得
因此
又由 ,应取圆的上半支,故
其最大定义区间为
直接计算可得
故满足原微分方程及初值条件。
- 设 在 连续, 表示 的某个原函数, 为任意常数,证明:
是方程
的所有解。
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确为方程 的全部解。
解析: 记
则
先证明所给函数均为方程的解。设
则
因此
故对任意常数 ,所给函数都是微分方程的解,其中 时得到零解。
下面证明方程不存在其他形式的解。设 是方程
在 内的任意解。将方程两边乘以积分因子
得到
注意到
因此
于是
其中 为常数。故
所以所给表达式包含了该微分方程的所有解。
- 求微分方程
的通解。
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答案: 一般积分为
此外还有特解
解析: 方程右端只含组合式 ,令
则
由原方程得
当 时,将 看作 的函数,有
积分得
代回 ,得
即
在变形过程中除去了 。若
则
即
此时 ,且
故它确为原方程的一个特解。
应用题
- 设连接两点 , 的一条凸弧, 为凸弧 上的任意点。已知凸弧与弦 之间的面积为 ,求此凸弧的方程。
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解析: 设凸弧方程为
取弧上任一点 。弦 的方程为
由于凸弧位于弦 的上方,弧与弦之间的面积为
第二个积分等于梯形面积
故
两边对 求导,得
整理为
注意到
于是
积分得
即
利用端点条件 ,有
故
因此凸弧方程为
又
与凸弧条件相符。
- 在 上给定曲线 ,, 有连续导数。已知对任意 , 上一段绕 轴旋转所得侧面积等于该段旋转体的体积,求曲线 的方程。
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答案: 按通常所取的非恒定上升支,
解析: 曲线从 到 的弧绕 轴旋转所得侧面积为
相应旋转体体积为
由题意,任意 均有
两边对 求导,得
因 ,可约去 ,得到
故
由此还可看出 。取从初点向上延伸的非恒定支,
分离变量:
积分得
利用 ,得 ,于是
即
说明:严格按题面所给条件,恒定函数
也满足侧面积等于体积;通常本题默认求从初点立即上升的非恒定曲线支,故取上述双曲余弦解。
- 设 为连续正值函数,,若平面区域
的形心纵坐标等于曲线 在 上对应的曲边梯形面积与 之和,求 。
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解析: 记曲边梯形面积为
区域 关于 轴的静矩为
因此形心纵坐标为
由题意
于是
即
两边对 求导,注意 ,得
由于 ,可约去 ,得到
又 ,故
解此一阶线性方程,得
因此
即
- 设曲线 上任意点 处的切线垂直于此点与原点的连线,求曲线 的方程。
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即曲线为以原点为圆心的圆弧;写成显函数形式为
解析: 曲线在点 处的切向量可取为
而原点指向该点的向量为
由切线与该连线垂直,二者内积为零:
因此
即
分离并积分:
从而
整理得
其中 。
该方程表示以原点为圆心、半径为 的圆。其任一点的切线均垂直于过该点的半径,故满足题意。
- 求证:曲率半径为常数 的曲线是圆。
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答案: 曲率半径恒为 的正则平面曲线是半径为 的圆或圆弧。
解析: 设曲线以弧长 为参数,位置向量为
单位切向量、单位法向量分别为
曲率半径恒为 ,故曲率
适当选取曲线方向及法向量方向后,Frenet 公式为
于是
因此存在一个固定向量 ,使得
从而
由于 是单位向量,故
这说明曲线上每一点到固定点 的距离恒为 ,所以曲线是以 为圆心、以 为半径的圆或圆弧。
- 设有一弹性轻绳(即绳本身的重量忽略不计),上端固定,下端悬挂一质量为 克的物体,已知此绳受 克重量的外力作用时伸长 厘米,如果物体在绳子拉直但并未伸长时放下,问此物体向下运动到什么地方又开始上升?
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答案: 物体下降到绳长比自然长度伸长
处时停止下降并开始上升。
解析: 设物体向下运动 厘米,此时绳的伸长量也是 厘米。
由胡克定律,弹力大小与伸长量成正比。已知 克重量使绳伸长 厘米,因此弹性系数为
克重每厘米。
物体从绳恰好拉直但未伸长的位置由静止释放。设它运动到最低点时伸长量为 。初、末速度都为零,由机械能守恒,重力所做的功等于弹性势能的增加:
代入 ,得
除去初始位置对应的解 ,得到
因此物体下降到绳伸长 厘米处时速度再次为零,随后开始上升。
- 肥皂溶于 水中后,以每分钟 的速度向内注入清水,同时向外抽出混合均匀之肥皂水,问何时余下的肥皂水中只有 肥皂?
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解析: 设 分钟后容器中肥皂的质量为 千克。由于流入与流出的速度均为每分钟 升,容器内液体体积始终为 升。
流入的是清水,不带入肥皂;流出液体中的肥皂浓度为
故肥皂流出速率为
因此
分离变量并积分:
从而
当余下 千克肥皂时,
因此
- 设物体 从点 出发,以速度大小为常数 沿 轴正方向运动,物体 从点 与 同时出发,其速度大小为 ,方向始终指向 。任意时刻 点的坐标为 ,试建立物体 的运动轨迹( 作为 的函数)所满足的微分方程,并写出初始条件。
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答案: 物体 的轨迹满足
初始条件为
解析: 设时间为 。物体 的坐标为
物体 的坐标为
由于 的速度方向始终指向 ,轨迹切线的斜率等于直线 的斜率,所以
整理得
对式 关于 求导:
故
又因为物体 的速度大小恒为 ,沿轨迹有
而
所以
将式 代入式 ,得
即
初始时 ,故
初始时 指向 的方向向量为 ,故初始切线斜率为