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郑哲航 2 weeks ago
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编委会(不分先后,姓氏首字母顺序): 郑哲航(自行添加)
# 求下列方程的通解
$$(1 )
\frac{dy}{dx} - \frac{y+1}{x+1} = x+1$$
```text
```
$$(2)y'y'' = 3(y')^2$$
```text
```
$$(3)x y y'' + x (y')^2 = 3 y y'$$
```text
```
$$(4)(2x-1)^2 y'' - 4(2x-1) y' + 8y = 8x$$
```text
```
已知二阶线性齐次微分方程
$$
(x-1) y'' - x y' + y = 0 \qquad (x > 1)
$$
的一个特解为 $y_1 = e^x$,求该方程的通解。
```text
```
$$(6)y'' - 2y' + y = x e^x$$
```text
```
$$(7)y'' + 2y' + 2y = e^{-x} \cos x(x>0)$$
```text
```

@ -0,0 +1,402 @@
# 基础练习
## 1. 求下列方程的通解
### (1)
$$
\frac{dy}{dx} - \frac{y+1}{x+1} = x+1
$$
**参考解答**
令 $X = x + 1$$Y = y + 1$,则 $dy = dY$$dx = dX$。
方程可化为:
$$
\frac{dY}{dX} - \frac{Y}{X} = X,
$$
由一阶非齐次线性微分方程通解公式有:
$$
Y = e^{\int \frac{dX}{X}} \left[ \int X \cdot e^{-\int \frac{dX}{X}} dX + C' \right] = X \left( \int dX + C' \right) = X(X + C').
$$
将 $X = x + 1$$Y = y + 1$ 代入上面通解得原方程通解为:
$$
y = (x+1)(x+C) - 1.
$$
---
### (2)
$$
y'y'' = 3(y')^2
$$
**参考解答**
**方法1**:令 $z = y'$,方程化为:
$$
z z'' = 3(z')^2,
$$
再令 $z' = p(z)$,则
$$
z'' = p \frac{dp}{dz},
$$
方程化为:
$$
z p \frac{dp}{dz} = 3p^2 \quad\Rightarrow\quad \frac{1}{p} dp = \frac{3}{z} dz.
$$
积分得:
$$
\ln|p| = 3\ln|z| + \ln|C_1|,
$$
整理得:
$$
z' = C_1 z^3 \quad\Rightarrow\quad \frac{dz}{dx} = C_1 z^3 \quad\Rightarrow\quad \frac{dz}{z^3} = C_1 dx,
$$
积分得:
$$
-\frac{1}{2z^2} = C_1 x + C_2 \quad\Rightarrow\quad z = \pm \frac{1}{\sqrt{C_1 x + C_2}} \quad\Rightarrow\quad dy = \pm \frac{1}{\sqrt{C_1 x + C_2}} dx,
$$
再积分得方程通解为:
$$
y = \pm \frac{2\sqrt{C_1 x + C_2}}{C_1} + C_3,
$$
整理得方程通解可化为:
$$
x = C_1 y^2 + C_2 y + C_3.
$$
**方法2**:交换因变量与自变量地位:将
$$
y'(x) = \frac{1}{x'(y)},\quad y''(x) = -\frac{x''(y)}{[x'(y)]^3},\quad y'''(x) = \frac{3[x''(y)]^2 - x'(y)x'''(y)}{[x'(y)]^5},
$$
代入原方程化为:
$$
\frac{1}{x'(y)} \cdot \frac{3[x''(y)]^2 - x'(y)x'''(y)}{[x'(y)]^5} = 0,
$$
即有:
$$
x''(y) = 0 \quad \text{或} \quad x'(y) = 0 \; (\text{包含于第一个等式中}),
$$
对 $x''(y) = 0$ 连续积分得原方程通解为:
$$
x(y) = C_1 y^2 + C_2 y + C_3.
$$
---
### (3)
$$
x y y'' + x (y')^2 = 3 y y'
$$
**参考解答**
**方法1**:方程可变形为:$x(yy')' = 3yy'$,令 $yy' = u$,方程化为:
$$
\frac{du}{dx} = \frac{3u}{x},
$$
分离变量得:
$$
\frac{du}{u} = \frac{3dx}{x},
$$
积分得:
$$
\ln|u| = 3\ln|x| + \ln|C_1| \quad\Rightarrow\quad yy' = C_1 x^3,
$$
再分离变量得:
$$
y dy = C_1 x^3 dx,
$$
积分整理得方程通解为:
$$
y^2 = \frac{C_1}{2} x^4 + C_2.
$$
**方法2**:令 $u = y^2$,则有
$$
\frac{du}{dx} = 2yy',\quad \frac{d^2u}{dx^2} = 2(y')^2 + 2yy'',
$$
代入原方程,方程化为:
$$
x u'' = 3u',
$$
令 $p = u'$,则有
$$
x \frac{dp}{dx} = 3p,
$$
用分离变量积分得:
$$
\frac{dp}{p} = \frac{3dx}{x},
$$
积分得:
$$
\ln p = 3\ln|x| + \ln|C_1| \quad\Rightarrow\quad \frac{du}{dx} = C_1 x^3,
$$
再分离变量得:
$$
du = C_1 x^3 dx,
$$
积分整理得方程通解为:
$$
y^2 = \frac{C_1}{4} x^4 + C_2.
$$
**方法3**:分析方程三项的结构,由于
$$
(x y y')' = y y' + x (y')^2 + x y y'',
$$
故原方程可以改写为:
$$
(x y y')' = 4 y y',
$$
于是令 $x y y' = u(x)$$y y' = \frac{u}{x}$
方程可化为可分离变量方程:
$$
\frac{du}{dx} = 4 \frac{u}{x} \quad\Rightarrow\quad \frac{du}{u} = 4 \frac{dx}{x},
$$
积分得:
$$
u = C_1 x^4 = x y y',
$$
再分离变量有:
$$
C_1 x^3 dx = y dy,
$$
积分得:
$$
\frac{C_1}{4} x^4 = \frac{1}{2} y^2 + C_2,
$$
于是方程通解为:
$$
y^2 = C_3 x^4 + C_4.
$$
---
### (4)
$$
(2x-1)^2 y'' - 4(2x-1) y' + 8y = 8x
$$
**参考解答**
令 $2x - 1 = t$,则
$$
\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{dt} \cdot \frac{dt}{dx} = 2 \frac{dy}{dt},\quad \frac{d^2y}{dx^2} = 4 \frac{d^2y}{dt^2}.
$$
代入原方程整理得欧拉方程:
$$
t^2 \frac{d^2y}{dt^2} - 2t \frac{dy}{dt} + 2y = t + 1.
$$
由欧拉方程的求解方法,令 $t = e^u$$u = \ln t$,于是
$$
\frac{dy}{dt} = \frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dt} = \frac{1}{t} \frac{dy}{du},
$$
$$
\frac{d^2y}{dt^2} = -\frac{1}{t^2} \frac{dy}{du} + \frac{1}{t} \frac{d^2y}{du^2} \cdot \frac{du}{dt} = \frac{1}{t^2} \left( \frac{d^2y}{du^2} - \frac{dy}{du} \right),
$$
化为关于 $u$ 变量的线性微分方程:
$$
\frac{d^2y}{du^2} - 3 \frac{dy}{du} + 2y = e^u + 1.
$$
其特征方程为 $r^2 - 3r + 2 = 0$,得特征根为 $r_1 = 1$$r_2 = 2$。
对应齐次方程的通解为:
$$
Y = C_1 e^u + C_2 e^{2u}.
$$
设非齐次线性微分方程有特解为:
$$
y^* = A u e^u + B,
$$
代入非齐次线性微分方程比较系数得:
$$
A = -1,\quad B = \frac{1}{2}.
$$
于是方程通解为:
$$
y = Y + y^* = C_1 e^u + C_2 e^{2u} - u e^u + \frac{1}{2}.
$$
代回 $u = \ln t = \ln(2x-1)$,得
$$
y = C_1 (2x-1) + C_2 (2x-1)^2 - (2x-1) \ln(2x-1) + \frac{1}{2}.
$$
---
### (5) 常系数非齐次线性方程(待定系数法)
$$
y'' - 2y' + y = x e^x
$$
**参考解答**
先解齐次方程 $y'' - 2y' + y = 0$,特征方程 $r^2 - 2r + 1 = 0$,得重根 $r = 1$,齐次通解为
$$
y_h = (C_1 + C_2 x) e^x.
$$
非齐次项 $f(x) = x e^x$,而 $e^x$ 是齐次解的一部分(且 $x e^x$ 也是齐次解,因为重根),故应设特解形式为
$$
y^* = x^2 (A x + B) e^x = (A x^3 + B x^2) e^x.
$$
为简化计算,通常设 $y^* = x^2 (A x + B) e^x$。计算导数:
$$
y^* = e^x (A x^3 + B x^2),
$$
$$
y'^* = e^x (A x^3 + B x^2) + e^x (3A x^2 + 2B x) = e^x [A x^3 + (B+3A) x^2 + 2B x],
$$
$$
y''^* = e^x [A x^3 + (B+3A) x^2 + 2B x] + e^x [3A x^2 + 2(B+3A)x + 2B] = e^x [A x^3 + (B+6A) x^2 + (2B+6A)x + 2B].
$$
代入原方程 $y'' - 2y' + y = x e^x$,两边约去 $e^x$,得
$$
\big[A x^3 + (B+6A) x^2 + (2B+6A)x + 2B\big] - 2\big[A x^3 + (B+3A) x^2 + 2B x\big] + \big(A x^3 + B x^2\big) = x.
$$
合并同类项:
$x^3$ 项:$A - 2A + A = 0$
$x^2$ 项:$(B+6A) - 2(B+3A) + B = B+6A -2B -6A + B = 0$
$x$ 项:$(2B+6A) - 4B + 0 = 6A - 2B$
常数项:$2B - 0 + 0 = 2B$。
比较系数得
$$
\begin{cases}
6A - 2B = 1, \\
2B = 0,
\end{cases}
$$
解得 $B=0$$A = \frac{1}{6}$。所以特解为
$$
y^* = \frac{1}{6} x^3 e^x.
$$
原方程通解为
$$
y = y_h + y^* = (C_1 + C_2 x) e^x + \frac{1}{6} x^3 e^x.
$$
---
已知二阶线性齐次微分方程
$$
(x-1) y'' - x y' + y = 0 \qquad (x > 1)
$$
的一个特解为 $y_1 = e^x$,求该方程的通解。
**参考解答**
先将原方程化为标准形式 $y'' + p(x) y' + q(x) y = 0$。原方程为
$$
(x-1) y'' - x y' + y = 0,
$$
两边除以 $x-1$$x>1$
$$
y'' - \frac{x}{x-1} y' + \frac{1}{x-1} y = 0.
$$
因此
$$
p(x) = -\frac{x}{x-1}.
$$
计算积分
$$
\int p(x) dx = -\int \frac{x}{x-1} dx = -\int \left(1 + \frac{1}{x-1}\right) dx = -\left[ x + \ln(x-1) \right] = -x - \ln(x-1).
$$
所以
$$
e^{-\int p(x) dx} = e^{x + \ln(x-1)} = (x-1) e^x.
$$
已知 $y_1 = e^x$,则 $y_1^2 = e^{2x}$。由刘维尔公式,另一线性无关解为
$$
y_2 = y_1 \int \frac{e^{-\int p(x) dx}}{y_1^2} dx = e^x \int \frac{(x-1) e^x}{e^{2x}} dx = e^x \int (x-1) e^{-x} dx.
$$
计算积分:
$$
\int (x-1) e^{-x} dx = \int x e^{-x} dx - \int e^{-x} dx.
$$
分别计算:
$$
\int x e^{-x} dx = -x e^{-x} - e^{-x} + C = -e^{-x}(x+1) + C,
$$
$$
\int e^{-x} dx = -e^{-x} + C.
$$
所以
$$
\int (x-1) e^{-x} dx = -e^{-x}(x+1) - (-e^{-x}) + C = -e^{-x}(x+1) + e^{-x} + C = -x e^{-x} + C.
$$
取 $C=0$ 得一个特解
$$
y_2 = e^x \cdot (-x e^{-x}) = -x.
$$
常数因子可吸收,故可取 $y_2 = x$。因此两个线性无关的特解为 $y_1 = e^x$$y_2 = x$。
原方程的通解为
$$
y = C_1 e^x + C_2 x.
$$
**注**:直接验证可知 $y = x$ 也满足原方程,与 $e^x$ 线性无关,因此通解如上。
$$
y'' + 2y' + 2y = e^{-x} \cos x
$$
**参考解答**
先解齐次方程 $y'' + 2y' + 2y = 0$。特征方程为 $r^2 + 2r + 2 = 0$,解得 $r = -1 \pm i$。故齐次通解为
$$
y_h = e^{-x} (C_1 \cos x + C_2 \sin x).
$$
非齐次项 $f(x) = e^{-x} \cos x$,而 $e^{-x} \cos x$ 恰好是齐次解的一部分(对应复根 $-1 \pm i$),因此应设特解形式为
$$
y^* = x e^{-x} (A \cos x + B \sin x).
$$
计算导数(可简化计算,利用复数法或直接求导)。采用待定系数法,设
$$
y^* = x e^{-x} (A \cos x + B \sin x) = e^{-x} \left( A x \cos x + B x \sin x \right).
$$
先计算 $y'^*$ 和 $y''^*$。令 $u(x) = A x \cos x + B x \sin x$,则 $y^* = e^{-x} u$,于是
$$
y'^* = e^{-x} (u' - u), \quad y''^* = e^{-x} (u'' - 2u' + u).
$$
代入原方程 $y'' + 2y' + 2y = e^{-x} \cos x$,两边约去 $e^{-x}$,得
$$
(u'' - 2u' + u) + 2(u' - u) + 2u = \cos x,
$$
$$
u'' + 0 \cdot u' + u = \cos x.
$$
所以只需解 $u'' + u = \cos x$。
计算 $u$ 的各阶导数:
$$
u = A x \cos x + B x \sin x,
$$
$$
u' = A \cos x - A x \sin x + B \sin x + B x \cos x = (A + B x) \cos x + (B - A x) \sin x,
$$
$$
u'' = -A \sin x - A \sin x - A x \cos x + B \cos x + B \cos x - B x \sin x = (-2A - B x) \sin x + (2B - A x) \cos x.
$$
注意,更简便的方法是:由于 $u'' + u$ 应等于 $\cos x$,而 $u$ 中 $x \cos x$ 和 $x \sin x$ 项的导数会与自身抵消后留下 $\cos x$ 和 $\sin x$ 项。直接代入求系数:
由 $u'' + u$ 的计算,实际上对于 $u = x (A \cos x + B \sin x)$,有 $u'' + u = 2(-A \sin x + B \cos x)$(这是一个常用结果,可通过复数推导)。验证:令 $z = x e^{ix}$,则 $z'' + z = 2i e^{ix}$,实部对应 $\cos$,虚部对应 $\sin$。因此
$$
u'' + u = 2(-A \sin x + B \cos x).
$$
令其等于 $\cos x$,得
$$
2B \cos x - 2A \sin x = \cos x,
$$
比较系数得
$$
2B = 1, \quad -2A = 0 \quad\Rightarrow\quad A = 0,\ B = \frac{1}{2}.
$$
因此
$$
u = \frac{1}{2} x \sin x,
$$
所以
$$
y^* = e^{-x} u = \frac{1}{2} x e^{-x} \sin x.
$$
原方程的通解为
$$
y = y_h + y^* = e^{-x} (C_1 \cos x + C_2 \sin x) + \frac{1}{2} x e^{-x} \sin x.
$$
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