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一、一阶微分方程的求解

本小节无例题

小题​

(一)变量可分离的微分方程​

  1. 【1994-3-3 分】 微分方程 的通解为
查看答案与解析

答案: ,等价地,。

解析: 将方程写成

,

当 且 时,分离变量得

。

两边积分,得

。

因此通解可写为

,其中常数 可取 ,故零解也包含在内。解应分别在不跨越奇点 的区间上讨论。


  1. 【1998-12-3 分】 已知函数 在任意点 处的增量 ,且当 时, 是 的高阶无穷小量,,则 等于( )
A.    B.    C.    D.
查看答案与解析

答案: D,。

解析: 由增量关系

,

根据可微的定义可得

。

分离变量:

。

积分得

,

即

。

由 ,得 ,所以

。

A、B 均忽略了微分方程解中的指数因子;C 缺少由初值确定的系数 。


  1. 【2005-34-4 分】 微分方程 满足初始条件 的特解为
查看答案与解析

答案: 。

解析: 注意到

,

故原方程等价于

。

积分得

,即 。

代入初始条件 ,得 ,所以特解为

。


  1. 【2006-12-4 分】 微分方程 的通解是
查看答案与解析

答案: 。

解析: 在 时,方程可写为

。

分离变量得

。

积分:

。

指数化后得到

。

当 时即为零解,因此已包含全部解。由于原方程在 处无定义,解应在 或 的区间内讨论。


  1. 【2008-13-4 分】 微分方程 满足条件 的解是
查看答案与解析

答案: 。

解析: 由

,

原方程化为

。

于是

,即 。

由 得 ,故

。


  1. 【2018-3-4 分】 函数 满足 ,且 ,则
查看答案与解析

答案: 。

解析: 将等式两边除以 ,并令 ,得

。

分离变量:

。

积分得

,

故

。

由 得 ,于是

。


  1. 【2019-1-4 分】 微分方程 满足条件 的特解
查看答案与解析

答案: 。

解析: 令

,

则 。原方程化为

。

这是关于 的一阶线性微分方程,其通解为

。

由于 ,故 ,从而

,即 。

所以

。

结合初值 ,应取正平方根,得到

。


  1. 【2024-12-5 分】 微分方程 满足 的解为
查看答案与解析

答案: 由隐式方程

确定的解。

解析: 令

,

则

。

由原方程得

,

因此

,

即

。

初始条件 对应 。故

。

代入 ,得到

,

整理即得

。

对该隐式关系求导,可得

,

从而 ,与原方程一致,并且代入 可得 。

(二)齐次微分方程的求解​

  1. 【1991-4-5 分】 求微分方程 满足条件 的特解。
查看答案与解析

答案: 。

解析: 原方程是齐次微分方程。令

,

则

。

代入原方程:

。

展开并约去相同项,得

,

即

。

积分得

,

所以

。

由 ,得

,

故 。于是

。

由于 ,取正支,得到

。


  1. 【1993-12-5 分】 求微分方程 满足初始条件 的特解。
查看答案与解析

答案: 。

解析: 令

,

则 。代入原方程,得

。

两边除以 :

,

即

。

部分分式分解为

。

积分得

,

因此

。

解出 :

,

所以

。

由初始条件 ,得

,

故 。因此特解为

。


  1. 【1997-2-5 分】 求微分方程 的通解。
查看答案与解析

答案: 。

解析: 方程中各项均为二次齐次式,因此是齐次微分方程。令

,

则

。

将原方程改写为

。

代入 及 ,并除以 ,得

,

即

。

分离变量:

。

注意到

,

故积分得

,

从而

。

代回 ,有

。

两边乘以 ,得到通解

。


  1. 【2007-34-4 分】 微分方程 满足 的特解为
查看答案与解析

答案: 。

解析: 右端仅含 ,故为齐次微分方程。令

,

则

。

代入方程得

,

所以

。

分离变量:

。

积分得

,

即

。

由初始条件 ,得 ,于是

。

故

。

由于初始点处 ,应取正支,因此

。

代回 ,得到

。

该初值解所在的最大区间为 。


  1. 【2014-1-4 分】 微分方程 满足 的解为
查看答案与解析

答案: 。

解析: 由对数的定义可知应在 、 的范围内求解。令

,

则

,且

。

代入原方程:

。

两边除以 ,得

,

即

。

分离变量:

。

令 ,则 ,故

。

于是

,

从而

。

因此

。

由 ,有

,

故 。所以所求解为

。


  1. 【2025-2-5 分】 微分方程 满足条件 的解为
查看答案与解析

答案: ,或在初始点附近写为 。

解析: 将方程写成导数形式:

。

右端分子、分母均为一次齐次式,令

,

则

。

代入得

,

所以

。

分离变量:

。

由于

,

且

,

故积分得

。

整理为

。

代回 ,得

。

由初始条件 ,有

。

因此初值问题的解为

。

若显式解出 ,则

。

代入 时,正号分支给出 ,故应取

。

(三)一阶线性微分方程的求解​

  1. 【1987-3-5 分】 求微分方程 ,满足条件 的解。
查看答案与解析

答案: 。

解析: 原方程可化为一阶线性方程

。

由于初始点 ,在 上取积分因子

。

方程两边乘以 ,得

,

即

。

积分得

,

所以

。

由 ,得

,

从而 。因此

。


  1. 【1988-3-5 分】 求微分方程 的通解(一般解)。
查看答案与解析

答案: ,其中 。

解析: 这是标准的一阶线性微分方程。在任一不跨越 的区间上,积分因子可取

。

方程两边乘以 ,得

,

即

。

积分得

。

因此通解为

。


  1. 【1990-4-5 分】 求微分方程 的通解。
查看答案与解析

答案: ,其中 。

解析: 方程中的 要求 。该方程为一阶线性微分方程,积分因子为

。

方程两边乘以 ,得

,

即

。

积分得

。

所以通解为

。


  1. 【1991-3-5 分】 求微分方程 满足 的特解。
查看答案与解析

答案: 。

解析: 将方程两边除以 ,得

。

在包含初始点 的区间 上,积分因子为

。

方程两边乘以 ,得到

。

积分:

。

因此

。

利用初始条件 ,得 。故所求特解为

。


  1. 【1992-3-5 分】 求微分方程 的通解。
查看答案与解析

答案: ,其中在不跨越 的区间上取常数 ;当 时可写为 。

解析: 将原方程写成关于 的形式:

,

即

。

这是一阶线性微分方程。在 的区间上,积分因子为

。

方程两边乘以 ,得

。

积分得

,

所以

。

同理,在 的区间上可得

。

将两种情形合并,可写成

。


  1. 【1992-12-3 分】 微分方程 的通解为
查看答案与解析

答案: 。

解析: 这是标准的一阶线性微分方程。积分因子为

,

其中所讨论区间不能跨越 的点。

方程两边乘以 ,得

,

即

。

积分得

,

故通解为

。


  1. 【1993-3-5 分】 求微分方程 满足初始条件 的特解。
查看答案与解析

答案: 。

解析: 将原方程写成

。

注意到左端恰为乘积的导数:

。

因此原方程可化为

。

两边积分,得

,

从而

。

由初始条件 ,有

,

故 。所以所求特解为

。


  1. 【2001-2-3 分】 过点 且满足关系式 的曲线方程。
查看答案与解析

答案: 。

解析: 因为

,

所以方程左端是乘积 的导数:

。

于是原方程化为

。

积分得

。

曲线经过点 ,故

,

从而 。因此曲线方程为

。

在经过初始点的解区间内有 ,因而分母不为零。


  1. 【2004-2-4 分】 微分方程 确定 的特解为
查看答案与解析

答案: 。

解析: 将方程写成

,

即

。

初始点 ,故在 上取积分因子

。

方程两边乘以 ,得

。

积分得

,

所以

。

由 ,得

,

故 。因此所求特解为

。


  1. 【2005-12-4 分】 微分方程 满足 的解为
查看答案与解析

答案: 。

解析: 由于方程中含有 ,故 。原方程除以 ,得

。

积分因子为

。

方程两边乘以 ,得

。

分部积分可得

。

因此

,

即

。

由 ,得 。故所求解为

。


  1. 【2008-24-4 分】 微分方程 的通解是
查看答案与解析

答案: 。

解析: 将原方程写成

,

即

。

这是一个一阶线性微分方程。在 的区间上,积分因子为

。

在任一固定符号区间内可取 ,于是

。

积分得

。

因此通解为

。


  1. 【2011-12-4 分】 微分方程 满足条件 的解
查看答案与解析

答案: 。

解析: 积分因子为

。

方程两边乘以 ,得

,

即

。

积分得

,

故

。

由 ,得 。所以

。


  1. 【2012-2-4 分】 微分方程 满足条件 的解为
查看答案与解析

答案: 。

解析: 由于方程中 关于 是线性的,将 看作 的函数。原方程可写为

,

即

。

这是关于 的一阶线性微分方程,其积分因子为

。

方程两边乘以 ,得

。

积分得

,

即

。

由条件 时 ,得

,

故 。因此

。

由于初始点处 ,应取正分支,故

。


  1. 【2025-3-5 分】 微分方程 满足条件 的解为
查看答案与解析

答案: 。

解析: 原方程可化为

。

初始点 ,在 上积分因子为

。

方程两边乘以 ,得

。

积分得

,

所以

。

由 ,得

,

故 。因此所求解为

。

大题​

(一)齐次微分方程的求解​

  1. 【1996-4-7 分】 求微分方程 的通解。
查看答案与解析

答案: ,等价地,。

解析: 记

。

由平方差公式,原方程右端可有理化为

。

因此

。

令

,

则

。

代入 ,得

。

故 为常数,即

。

由于 时 ,故 。将根式移项并平方,得到等价的显式形式

。


  1. 【1999-2-7 分】 求初值问题

的解。

查看答案与解析

答案: 。

解析: 由原方程得

。

因 ,令

,

则

,且

。

代入方程,得

,

即

。

积分得

。

由初始条件 时 ,可知 ,故 。于是

。

由此

。

再由 ,得到

。

(二)一阶线性微分方程的求解​

  1. 【1989-3-6 分】 微分方程 满足 的解。
查看答案与解析

答案: 。

解析: 原方程是一阶线性微分方程,其中

。

积分因子为

。

方程两边乘以 ,得

。

积分可得

,

即

。

由 ,得

,

故 。因此

。


  1. 【1990-23-6 分】 求微分方程 满足条件 的特解。
查看答案与解析

答案: 。

解析: 在包含初始点 的区间 上,原方程化为

。

积分因子为

。

方程两边乘以 ,得

。

积分得

,

所以

。

由 ,得

,

故 。因此特解为

。


  1. 【1995-3-8 分】 设 是微分方程 的一个解,求此微分方程满足条件 的特解。
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答案: 。

解析: 因为 是原方程的一个解,将 、 代入,得

。

因此

。

原方程化为

。

在包含初始点 的正区间上除以 ,得

。

积分因子为

。

注意到

,

故

,

积分得

。

于是通解为

。

由 ,且

,

得

,

所以

。

因此所求特解为

。


  1. 【1996-3-8 分】 设 是

的解,其中 为正常数。若 ( 为常数),证明:当 时,有

。

查看答案与解析

答案: 当 时,恒有

。

解析: 原方程为一阶线性微分方程

。

其积分因子为

。

方程两边乘以 ,得到

。

从 到 积分,并利用初始条件 ,可得

,

从而

。

当 时,由 ,有

故结论成立。


  1. 【1999-3-6 分】 设有微分方程 ,其中

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 。

查看答案与解析

答案:

解析: 当 时,方程为

。

其通解为

。

由条件 ,得

,

故在 时

。

于是

。

当 时,方程为

,

其通解为

。

因为要求 在整个实数轴上连续,所以在 处应满足

,

从而

。

因此

该函数在 处连续,并分别在 、 内满足原微分方程。


  1. 【2002-2-7 分】 求微分方程 的一个解 ,使得由曲线 与直线 、 以及 轴所围成的平面图形绕 轴旋转一周的旋转体体积最小。
查看答案与解析

答案: 所求解为

。

此时最小体积为

。

解析: 将原方程化为

,

即

。

在区间 上,积分因子为

。

因此

。

积分得

,

所以微分方程的通解为

。

该曲线与 轴之间的图形绕 轴旋转所得体积为

。

展开可得

这是关于 的开口向上的二次函数。令其导数为零:

,

解得

。

因此使体积最小的解为

。

代回体积表达式,得

故

。


  1. 【2018-1-10 分】 已知微分方程 ,其中 是 上的连续函数。

(Ⅰ)若 ,求方程的通解;

(Ⅱ)若 是周期为 的函数,证明:方程存在唯一的以 为周期的解。

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答案: (Ⅰ)。

(Ⅱ)方程存在唯一的 周期解,其初值可取为

。

解析: (Ⅰ)当 时,方程为

。

积分因子为 ,故

。

积分得

,

从而通解为

。

(Ⅱ)对一般连续函数 ,方程乘以积分因子 ,得

。

设 ,则

。

若要使该解为 周期函数,必要条件是

。

即

。

由于 ,有 ,故唯一确定

。

取上述 ,下面验证所得解确为周期解。由 ,有

作代换 ,则

。

又由 ,得到

。

故

因此周期解存在。

再证明唯一性。若 都是 周期解,则

满足齐次方程

,

故

。

由周期性

,

即

。

因为 ,所以 ,从而 。因此 周期解唯一。


  1. 【2019-23-10 分】 设函数 是微分方程

满足条件 的特解。

(1)求 ;

(2)设平面区域

,

求 绕 轴旋转所得旋转体的体积。

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答案: (1);

(2)。

解析: (1)原方程为一阶线性微分方程

。

积分因子为

。

方程两边乘以 ,得

。

积分得

,

所以

。

利用初始条件 ,有

,

故 。因此

。

(2)区域 绕 轴旋转,所得旋转体的体积为

。

由于

,

故

因此所求体积为

。


  1. 【2022-13-10 分】 设函数 是微分方程

满足 的解,求曲线 的渐近线。

查看答案与解析

答案: ,曲线的渐近线为

。

解析: 原方程是一阶线性微分方程,且由系数中的 可知定义域取 。

标准形式为

。

积分因子为

。

方程两边同乘 ,得

。

注意到

,

故积分得

,

即

。

利用初始条件 ,有

,

所以

。

因此

。

当 时,

,

故直线

是曲线的斜渐近线。

又当 时,

,

函数不趋于无穷大,因此 不是竖直渐近线。故曲线只有渐近线

。


  1. 【2022-2-12 分】 设 是微分方程

满足 的解,求曲线 的弧长。

查看答案与解析

答案: ,所求弧长为

。

解析: 原方程除以 ,得

。

这是关于 的一阶线性微分方程,其积分因子为

。

方程两边同乘 ,得

。

计算右端积分:

,

且

。

因此

,

从而

。

利用初始条件 ,得

。

故

。

于是

。

曲线在 上的弧长为

。

又

由于 ,故

。

因此

故所求弧长为

。