3月10 ODE 课后练习

三道课后习题

第一道

曲线上任一点的切线与两坐标轴所围成的三角形的面积都等于常数2,求该曲线所满足的微分方程。

解:

不妨设曲线上一点$A(x_0,y_0)$,那么过该点的切线满足:

$$ \frac{y-y_0}{x-x_0}=\frac{\dif y}{\dif x} $$

(我觉得这最好理解,左边是斜率,右边也是斜率)

对上式分别带入$x=0$和$y=0$即可得到两个截距(取模长),再通过三角形面积公式:

$$ \begin{align*} \left|y_0-x_0 y'\right|\cdot \left| x_0-\frac{y_0}{y'} \right|&=4\\ 2 x_0 y_0-\frac{y_0^2}{y'}-x_0^2 y' \pm 4&=0\\ (y_0 - x_0 y')^2 &=\pm 4y' \end{align*} $$

对于曲线上任意一点则可以写成

$$ (y - xy')^2 = \pm 4y' $$

如上方程为克莱罗方程(Clairaut’s equation)

第二道

设质量为m的物体,在时刻$t=0$时自由下落,在空气中受到的阻力与物体下落的速度成正比,试建立受空气阻力的自由落体运动规律所满足的微分方程。

解:

根据条件空气阻力可写为$f=kv$,那么根据牛二:

$$ mg - kv = ma $$

把速度看作关于时间$t$的函数,那么可构造微分方程:

$$ m\frac{\dif v}{\dif t} = mg - kv $$

第三道

求平面上过点$(1,3)$且每点切线斜率为横坐标2倍的曲线所满足的微分方程。

解:

由条件立得:

$$ \frac{\dif y}{\dif x}=2x $$

两边积分得到通解

$$ y=x^2+c $$

带入初值条件$(1,3)$,解出常数项$c$得到特解:

$$ c=2\Rightarrow y=x^2+2 $$