3月11 ODE 作业

三道课后习题

没啥好说的,就微分方程的基本概念,以及一阶常微分方程的变量分离法

第一道

试建立分别具有下列性质的曲线所满足的微分方程:

1.1

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$a^2$。

这不就是前几天写的克莱罗方程吗,由于写过了,我简写过程:

曲线上一点$A(x_0,y_0)$满足

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

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:

$$ \begin{align*} \left|y_0-x_0 y'\right|\cdot \left| x_0-\frac{y_0}{y'} \right|&=2a^2 \end{align*} $$

整理后,对于曲线上任意一点则可以写成

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

1.2

曲线上任一点的切线介于两坐标轴间的部分被切点等分;

(这题目我看半天没读懂,原来是所截线段的中点是$(x,y)$)

由上一问的截距立得

\[ \left(\frac{x-\frac{y}{y'}}{2},\frac{y-xy'}{2}\right)=(x,y) \]

整理得

$$ y'=-\frac{y}{x} $$

1.3

曲线上任一点的切线的纵截距等于切点横坐标的平方;

立得

\[ y-xy'=x^2 \]

(题目只要求了列出微分方程,解的话,常数变易法或积分因子法都可以)

第二道

求下列方程的解

2.1

\(\frac{\dif y}{\dif x} = 2xy\), 并求满足初值条件 \(x=0, y=1\) 的特解;

典型变量分离的题,分离:

\[ \frac{\dif y}{y}=2x\dif x \]

积分整理

$$ y=\pm C \me^{x^2}=C \me^{x^2},~y\geq 0 $$

带入初值条件解出$C$

$$ C=1\Rightarrow y=\me^{x^2} $$

2.2

$$ \begin{align*} \frac{\dif y}{\dif x} = \frac{1 + y^2}{xy + x^3 y} ; \end{align*} $$

分离变量

$$ \frac{y\dif y}{1 + y^2}=\frac{\dif x}{x + x^3} $$

左边显然凑微分,右边有理也能积,那么

$$ \begin{align*} \int \frac{\dif (1 + y^2)}{1 + y^2}&=2\int \frac{\dif x}{x} -\int \frac{\dif (1+x^2)}{1+x^2}+C\\ \ln(1+y^2)&=\ln(x^2)-\ln(1+x^2)+\ln C\\ 1+y^2&=\frac{x^2 C}{1+x^2} \end{align*} $$

第三道

求一曲线,使它的切线介于坐标轴间的部分被切点分成相等的两段。

这不就是前面那道的延续吗,直接立得

$$ y'=-\frac{y}{x} $$

分离变量

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

解得通解

$$ xy=C $$