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第六章 常微分方程

选择题

  1. 方程

满足条件 的特解是

A. ;    B. ;    C. ;    D.
查看答案与解析

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

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。


  1. 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
A. ;    B.
C. ;    D.
查看答案与解析

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 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。


  1. 方程

的特解的形式为

A. ;    B.
C. ;    D.
查看答案与解析

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。


  1. 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

A. ;    B.
C. ;    D.
查看答案与解析

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

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

  1. 下列微分方程中(填序号) 是线性微分方程。

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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。


  1. 已知

的一个解是 ,又知

均是

的解,则此方程的通解是

查看答案与解析
答案:

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

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


  1. 已知方程

的两个特解 ,则该方程满足初值 的解为

查看答案与解析
答案:

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


  1. 微分方程

的通解为

查看答案与解析
答案:

解析: 特征方程为

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

  1. 求下列微分方程的通解:

(Ⅰ)

(Ⅱ)

(Ⅲ)

(Ⅳ)

查看答案与解析

答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

也可写成

(Ⅲ)

(Ⅳ)

解析:

(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

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 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

由原方程

所以

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


  1. 求下列微分方程的通解或特解:

(Ⅰ)

(Ⅱ)

查看答案与解析

答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

解析:

(Ⅰ)二阶常系数非齐次线性方程的初值问题

对应齐次方程

的特征方程为

故特征根为

因此齐次方程的通解为

右端为二次多项式,设一个特解为

代入原方程,得到

比较各次幂系数:

解得

所以

从而原方程的通解为

由初值条件

可得

联立解得

因此所求特解为

(Ⅱ)待定系数法

对应齐次方程

的特征方程为

故齐次方程的通解为

由于非齐次项为

可令

为简化计算,令

代入原方程得

于是

比较系数,得

解得

所以原方程的通解为


  1. 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:

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

则两个不同实根为

故通解为

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


  1. 内可导,且在 处的增量

满足

其中当 的等价无穷小,又 ,求

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答案:

解析: 由于 可导,当 时有

又因为 等价,所以

将已知增量关系两边除以 ,得

,得到

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


  1. 设函数 连续,且

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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

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


  1. 设有微分方程

试求在 内的连续函数 ,使之在 内都满足所给方程,且满足条件

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答案:

解析: 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

时,方程为

题目要求 在整个实轴上连续,因此在 处应满足

从而

再令

即可得到所求连续函数。


  1. 设函数 上连续,且满足方程

试求

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答案:

解析: 将二重积分化为极坐标形式。令

积分区域为

因此

故原积分方程化为

由于 连续,可对两边关于 求导,得

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

。因此

将其代回原积分方程可验证等式成立。


  1. 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。

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

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

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


  1. 求解初值问题
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答案:

解析: 原方程可写成

方程中不显含自变量 ,令

代入原方程,得

积分得

所以

由初值

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。


  1. 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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答案:

确为方程 的全部解。

解析:

先证明所给函数均为方程的解。设

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

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。


  1. 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

由原方程得

时,将 看作 的函数,有

积分得

代回 ,得

在变形过程中除去了 。若

此时 ,且

故它确为原方程的一个特解。

应用题

  1. 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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答案:

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

两边对 求导,得

整理为

注意到

于是

积分得

利用端点条件 ,有

因此凸弧方程为

与凸弧条件相符。


  1. 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 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

,可约去 ,得到

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

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。


  1. 为连续正值函数,,若平面区域

的形心纵坐标等于曲线 上对应的曲边梯形面积与 之和,求

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答案:

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

两边对 求导,注意 ,得

由于 ,可约去 ,得到

,故

解此一阶线性方程,得

因此


  1. 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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答案:

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

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。


  1. 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。


  1. 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。


  1. 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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答案:

解析: 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


  1. 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 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:

又因为物体 的速度大小恒为 ,沿轨迹有

所以

将式 代入式 ,得

初始时 ,故

初始时 指向 的方向向量为 ,故初始切线斜率为