第十一章習題詳細解答

2023-01-25 08:36:02 字數 4250 閱讀 2465

1.判斷下列方程是幾階微分方程?

(12);

(34).

解微分方程中所出現的未知函式的導數(或微分)的最高端數,叫做微分方程的階.所以有,

(1)一階微分方程2)一階微分方程;

(3)三階微分方程4)三階微分方程.

2.指出下列各題中的函式是否為所給微分方程的解:

(1),;

(2),;

(3),;

(4),.

解 (1)將代入所給微分方程的左邊,得左邊,而右邊=2左邊,所以是的解.

(2)將,代入所給微分方程的左邊,得左邊右邊,所以是所給微分方程的解.

(3)將,,代入所給微分方程的左邊,得

左邊(右邊),

所以不是所給微分方程的解.

(4)對的兩邊關於求導,得,即

再對求導,得

,即所以是所給微分方程的解.

3.確定下列各函式關係式中所含引數,使函式滿足所給的初始條件.

(12),.

解 (1)將,代入微分方程,得

所以,所求函式為.

(2),將,分別代入和,得

,,所以,所求函式為.

4.能否適當地選取常數,使函式成為方程的解.

解因為,,所以為使函式成為方程的解,只須滿足,即

而,因此必有,即或,從而當,或時,函式均為方程的解.

5.消去下列各式中的任意常數,寫出相應的微分方程.

(12);

(34).

解注意到,含乙個任意常數及兩個變數的關係式對應於一階微分方程;含兩個獨立常數的式子對應於二階微分方程.

(1)由兩邊對求導,得

,代入原關係式,得所求的微分方程為

. (2)由兩邊對求導,得,即

.而,故所求的微分方程為

,化簡得

. (3)由兩邊對求導,得

,兩邊再對求導,得

,這樣便可得所求的微分方程為

. (4)由兩邊對求導,得

,將代入上式,並化簡得

,對上式兩邊再對求導,得

,故所求的微分方程為

.1.求下列微分方程的通解或特解:

(12);

(34);

(5),; (6),.

解 (1)分離變數,得

,兩端積分,得,即

,所以原方程的通解為

.注該等式中的與等本應寫為與等,去絕對值符號時會出現號;但這些號可認為含於最後答案的任意常數中去了,這樣書寫簡潔些,可避開絕對值與正負號的冗繁討論,使注意力集中到解法方面,本書都做這樣的處理.

(2)原方程分離變數,得

,兩端積分,得,即

,故原方程的通解為

.(3)原方程可化成

,分離變數,得

,兩端積分,得

即是原方程的通解.

(4)分離變數,得

,兩邊積分,得,即

是原方程的通解.

(5)分離變數,得

,兩端積分,得,即

.由定解條件,知

,即,故所求特解為

,即.(6)將方程兩邊同除以,得

,兩端積分,得

,積分後得

(其中),

從而有,

代入初始條件,得

.因此,所求方程滿足初始條件的特解為,即

.2.一曲線過點在兩座標軸間任意點處的切線被切點所平分,求此曲線的方程.

解設曲線的方程為,過點的切線與x軸和y軸的交點分別為及,則點就是該切線的中點.於是有

,即,且,

分離變數後,有

,積分得,即

.由定解條件,有

,故為所求的曲線.

3.一粒質量為20克的子彈以速度(公尺/秒)打進一塊厚度為10厘公尺的木板,然後穿過木板以速度(公尺/秒)離開木板.若該木板對子彈的阻力與運動速度的平方成正比(比例係數為k),問子彈穿過木板的時間.

解依題意有 ,,即

,兩端積分得

(其中20克=0.02千克),

代入定解條件,得

,故有.

設子彈穿過木板的時間為秒,則

,又已知時,公尺/秒,於是,從而

,為此有,所以

(秒),

故子彈穿過木板運動持續了(秒).

4.求下列齊次方程的通解或特解:

(12);

(3); (4);

(5),; (6), .

解 (1)原方程變形,得

,令,即,有,則原方程可進一步化為

,分離變數,得

,兩端積分得,即

,將代入上式並整理,得原方程的通解為

. (2)原方程變形,得

,即.令,即,有,則原方程可進一步化為,即

,兩端積分,得

,將代入上式並整理,得原方程的通解為

(其中).

(3)原方程變形,得

,即,令,有,則原方程可進一步化為 ,即

,兩端積分,得,即

,將代入上式並整理,得原方程的通解為

. (4)顯然,原方程是乙個齊次方程,又注意到方程的左端可以看成是以為變數的函式,故令,即,有,則原方程可化為

,整理並分離變數,得

,兩端積分,得,即

.將代入上式並整理,得原方程的通解為

.(5)原方程可化為

.令,有,則原方程可進一步化為 ,即

,兩端積分,得

,將代入上式,得

,代入初始條件,得

.因此,所求方程滿足初始條件的特解為

.(6)原方程可寫成

.令,即,有,則原方程成為

,分離變數,得

,兩端積分,得,即

,代入並整理,得通解

.由初始條件,得.於是所求特解為

.5.設有鏈結原點o和的一段向上凸的曲線弧,對於上任一點,曲線弧與直線段所圍成圖形的面積為,求曲線弧的方程.

解設曲線弧的方程為,依題意有

,上式兩端對x求導,

,即得微分方程

,令,有,則微分方程可化為

,即,積分得

,因,故有

.又因曲線過點,故.於是得曲線弧的方程是

.6.化下列方程為齊次方程,並求出通解:

(12).

解 (1)原方程可寫成

,令,解得交點為,.作座標平移變換,,有

,所以原方程可進一步化為

這是齊次方程.

設,則,,於是(*)式可化為,即

,變數分離,得

,兩端積分,得 ,即

,將代入上式,得原方程的通解為

.(2)原方程可寫成

,該方程屬於型別,一般可令.

令,有,則原方程可化為,即

,積分得

,將代入上式,得原方程的通解為

.1.求下列微分方程的通解:

(1); (23);

(4); (5); (6).

解(1)

. (2)原方程可化為

,故通解為

.(3)原方程可化為

,故通解為

. (4)所給方程的通解為

(5)方程可化為,即

,故通解為

. (6)

2.求下列微分方程的特解:

(12),;

(3),.

解(1)

,代入初始條件,得.故所求特解為

. (2)

代入初始條件,得,故所求特解為,即

.(3)

,代入初始條件,得,故所求特解為

.3.求一曲線的方程,這曲線通過原點,並且它在點處的切線斜率等於.

解設曲線方程為,依題意有,即.從而

由,,得.故所求曲線的方程為

.4.設曲線積分在右半平面()內與路徑無關,其中可導,且,求.

解依題意及曲線積分與路徑無關的條件,有,即

.記,即得微分方程及初始條件為

,.於是,

代入初始條件,得,從而有

.5.求下列伯努利方程的通解:

(12);

(34).

解(1)方程可以化為

.令,則,即.代入上面的方程,得,即

,其通解為

,所以原方程的通解為

. (2)原方程化為

.令,則,即.代入上面的方程,得,即

,其通解為

.所以原方程的通解為

. (3)原方程化為

.令,則,於是原方程化為

,其通解為

所以原方程的通解為

. (4)原方程化為

,即.令,則,則原方程化為

,其通解為

所以原方程的通解為

,或寫成

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