12.4 讲义习题

12.4.1 线性微分方程

例 12.4.1 (习题8.4.2) n0n1,将Bernoulli方程y+P(x)y=Q(x)yn变为线性微分方程。

z=y1n,则n满足的方程为(1)z+(1n)P(x)z=(1n)Q(x)

例 12.4.2 (习题8.4.3) 给定Riccati方程y+p(x)y+q(x)y2=f(x)

(1)

证明:若y1(x),y2(x)是Riccati方程的任意两个解,则z(x)=y1(x)y2(x)满足某个Bernoulli方程,并求出该Bernoulli方程;

(2)

验证y=1xy=y22x2的一个解,并求出该方程的通解。

(1) 由题可得(2){y1+p(x)y1+q(x)y12f(x)=0y2+p(x)y2+q(x)y22f(x)=0 两式相减可得(3)z+p(x)z+q(x)z(z+2y2)=0z+[p(x)+2q(x)y2(x)]z=q(x)z2

(2) 验证略。设另一个解为y=1x+z,则z满足的微分方程为(4)z=2xz+z2zz2+2x1z+1=0 利用积分因子x2可得(5)(x2z)=x2zz+2xz=x2x2z=13(x3+C1)z=3x2x3+C1 故原方程的通解为(6)y=1x3x2x3+C1

例 12.4.3 (习题8.4.4) 求解以下微分方程:(7)2yyy2=0

求导可得(8)2yy(3)=0y=0y(3)=0y(x)=Ax2+Bx+C 但这造成了增解,因为二阶微分方程的通解只能有两个任意常数,所以需要代入原方程验证,即(9)2(Ax2+Bx+C)2A(2Ax+B)2=04AC=B2 所以原方程的通解为(10)y(x)=Ax2±2ACx+C,AC0

另解 用通常的降阶法,设u=y,则y=dudx=dudydydx=ududy,故有(11)2yududyu2=0u=02duu=dyy 解得y为常值函数或u2=C|y|,即(12)dydx=±C|y|=2C1|y||y|=C1x+C2 所以原方程的通解为(13)y=±(C1x+C2)2

例 12.4.4 (习题8.4.5) 试写出一个二阶线性微分方程使得1x,1x1都是该微分方程的解。

我们考虑更一般性的问题:设y1,y2满足二阶线性微分方程(14)y+a1(x)y+a0(x)y=0 代入y1,y2可得(15){a0(x)y1+a1(x)y1=y1a0(x)y2+a1(x)y2=y2 利用Cramer法则可得(16)a1(x)=y2y1y1y2W[y1,y2],a0(x)=y1y2y2y1W[y1,y2] 其中W[y1,y2]=y1y2y2y1表示Wronsky行列式。代入y1=1xy2=1x1可得(17)y+24xxx2y+2x2xy=0

例 12.4.5 (习题8.4.7) 求区间(1,+)上的可微函数f使得(18)f(x)+f(x)1x+10xf(t)dt=0,f(0)=1

F(x)=0xf(t)dt,则F二阶可微且满足F(x)=f(x),故有F满足以下微分方程:(19)F+F1x+1F=0,F(0)=0,F(0)=1 容易观察到F的特解为F(x)=x+1,代入式(???)可得(20)F(x)=C1(x+1)+C2(x+1)0xet(t+1)2dt 代入初值条件可得(21)C1=0,C1+C2=1F(x)=(x+1)0xet(t+1)2dt 因此(22)f(x)=F(x)=exx+1+0xet(t+1)2dt

12.4.2 常系数线性微分方程(组)

例 12.4.6 (习题8.6.1) aRb是可微函数且恒正,求解以下微分方程:(23)y+bbya2b2y=0

考虑变换u=u(x),使得原方程变为y=y(u)的常系数线性方程。注意到(24)y=dydx=dudxdydu=udyduy=ddx(udydu)=udydu+ududxd2ydu2=udydu+u2d2ydu2 代入原方程可得(25)u2d2ydu2+(u+bbu)dydua2b2y=0 利用积分因子expbbdx=b可恰好将其凑成(26)d2ydu2+(ub)u2bdydua2(ub)2y=0 故可令ub=1,即u(x)=x0xdtb(t),则原方程可化为(27)d2ydu2a2y=0y=C1eau(x)+C2eau(x)

例 12.4.7 (习题8.6.2) 求解以下微分方程:(28)2x2y+a(1+xy)2+xy1=0

由于方程只包含xyx2y,故可尝试Euler方程的换元法:令t=ln|x|,则有(29)xy=xdtdxdydt=dydtx2y=x2ddx(1xdydt)=x2(1x2dydt+1xdtdxd2ydt2)=d2ydt2dydt 再令p=dydt,代入原方程可得(30)2(dpdtp)+a(1+p)2+p1=02dpdt+(a1+ap)(1+p)=0 解得(31)dydt=p=(1a)et/2C1aet/2C1 积分可得(32)y={t+2aln(aet/2+C1)+C2,a0t+2C1et/2+C2,a=0 代回t=ln|x|,重新选择C1,C2可得原方程的通解为(33)y={ln|x|+2aln(|x|+C1)+C2,a0ln|x|+2C1|x|+C2,a=0