diff --git a/高数下/微分方程小测卷.md b/高数下/微分方程小测卷.md new file mode 100644 index 0000000..7ce1b4d --- /dev/null +++ b/高数下/微分方程小测卷.md @@ -0,0 +1,151 @@ +时量:40分钟 ____ +内部资料,禁止传播 +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 + + + + + + + + + + + + + + + +``` + diff --git a/高数下/微分方程小测卷解析版.md b/高数下/微分方程小测卷解析版.md new file mode 100644 index 0000000..b51fe91 --- /dev/null +++ b/高数下/微分方程小测卷解析版.md @@ -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 +$$ +(u'' - 2u' + u) + 2(u' - u) + 2u = \cos x, +$$ +即 +$$ +u'' + 0 \cdot u' + u = \cos x. +$$ +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 +$$ +y = y_h + y^* = e^{-x} (C_1 \cos x + C_2 \sin x) + \frac{1}{2} x e^{-x} \sin x. +$$ \ No newline at end of file