7.1 第五次作业参考答案

第6次习题课中的题目请直接参考对应讲义。

7.1.1 习题5.1

例 7.1.1 (习题5.1.6)线性微分方程与常数变易法。

(1)

证明:eλx是n阶常系数线性常微分方程(1)y(n)+an−1y(n−1)+⋯+a1y′+a0y=0 的解当且仅当λ是多项式λn+an−1λn−1+⋯+a1λ+a0=0的根。这个多项式称为该微分方程的 特征多项式,它的根称为该微分方程的 特征值或 特征指数。

(2)

常数变易法。设λ是微分方程(2)y(n)+an−1y(n−1)+⋯+a1y′+a0y=0 的特征值,证明:y(x)=C(x)eλx是微分方程(3)y(n)+an−1y(n−1)+⋯+a1y′+a0y=f(x) 的解当且仅当C′(x)是一个n−1阶常系数线性常微分方程的解,并求这个n−1阶常系数线性常微分方程。

(3)

证明:y(x)是微分方程y′−λy=0的解当且仅当存在常数C使得y(x)=Ceλx。

(4)

求微分方程y″−3y′+2y=0的所有解。一般地,若a2>4b,求微分方程y″+ay′+by=0的所有解。

(5)

求微分方程y″−2ay′+a2y=0的所有解。

解 (1) eλx是该微分方程的解等价于(4)eλx(anλn+an−1λn−1+⋯+a1λ+a0)=0 由于eλx>0,故上式等价于(5)anλn+an−1λn−1+⋯+a1λ+a0=0

(2) 设an=1,y(x)=C(x)eλx是微分方程的解等价于(6)f(x)=∑i=0naiy(i)=∑i=0nai∑j=0i(ij)C(j)(x)λi−jeλx=eλx∑j=0nC(j)(x)∑i=jn(ij)aiλi−j=0 由于eλx>0,故上式等价于(7)∑j=0nC(j)(x)∑i=jn(ij)aiλi−j=0 注意到当j=0时,有(8)∑i=0n(i0)aiλi=anλn+an−1λn−1+⋯+a1λ+a0=0 因此C′需满足以下n−1阶常系数线性常微分方程的解(9)∑j=1n(C′)(j−1)(x)∑i=jn(ij)aiλi−j=0

(3) 考虑函数f(x):=y(x)e−λx,其中y(x)为微分方程的解,代入验证可得(10)f′(x)=y′(x)e−λx−λy(x)e−λx=[y′(x)−λy(x)]e−λx=0 由Lagrange中值定理可得∀x∈R∖{0},均∃ξ∈R位于0,x之间使得(11)f(x)−f(0)x−0=f′(ξ)=0 故∀x∈R均有f(x)=f(0),即f(x)≡C。因此y(x)=Ceλx。

(4) 该微分方程的特征方程为λ2−3λ+2=0,解得对应的特征值为λ1=1,λ2=2。考虑函数f(x):=y(x)e−x,其中y(x)为微分方程的解,代入验证可得(12)f′(x)=[y′(x)−y(x)]e−xf″(x)=[y″(x)−2y′(x)+y(x)]e−x⟹f″(x)−f′(x)=[y″(x)−3y′(x)+2y(x)]e−x=0 由(3)可知f′的通解为f′(x)=C1ex。考虑函数g(x):=f(x)−C1ex,则g′(x)=0,故g(x)=C2=const,亦即(13)y(x)=f(x)ex=[g(x)+C1ex]ex=C1e2x+C2ex 类似可得当a2−4b>0时,y″+ay′+by=0的所有解为(14)y(x)=C1eλ1x+C2eλ2x,λ1,2=−a±a2−4b2

(5) 该微分方程的特征方程为λ2−2aλ+a2=0,解得对应的特征值为λ1=λ2=a。考虑函数f(x):=y(x)e−ax,其中y(x)为微分方程的解,代入验证可得(15)f″(x)=[y″(x)−2ay′(x)+a2y(x)]e−ax=0 故f′(x)≡f′(0)。考虑函数g(x):=f(x)−f′(0)x,则g′(x)=0,故g(x)≡g(0)=f(0)。因此(16)y(x)=f(x)eax=[f(0)+f′(0)x]eax=(C1+C2x)eax ◻

例 7.1.2 (习题5.1.7)设函数f在区间[a,b]上连续,在开区间(a,b)中可微,f(a)=f(b)=0。证明对任意实数λ,∃ξ∈(a,b)使得f′(ξ)+λf(ξ)=0。

证明 考虑函数g(x):=f(x)eλx,则g(a)=g(b)=0,由Rolle定理可知∃ξ∈(a,b)使得g′(ξ)=0,即f′(ξ)+λf(ξ)=0。 ◻

例 7.1.3 (习题5.1.13)设f∈C1[0,a]满足f(0)=0,且(17)f′(x)≤1+f(x),∀x∈[0,a] 证明:∀x∈[0,a],f′(x)≤ex。

证明 由于f′∈C,故M:=maxx∈[0,a]e−xf′(x)良定义。由Cauchy中值定理可得∃ξ∈[0,a]使得(18)f(x)−f(0)ex−1=f′(ξ)eξ≤M⟹f′(x)≤1+f(x)≤1+M(ex−1) 若M>1,则有(19)e−xf′(x)≤M+(1−M)e−x<M 与M为最大值矛盾!故M≤1,即f′(x)≤ex。 ◻

另证 构造函数g(x)=e−xf(x),由题可知(20)g′(x)=e−x(f′(x)−f(x))≤e−x 故(21)g(x)=g(0)+∫0xg′(t)dt≤∫0xe−tdt=1−e−x 即f(x)≤ex−1,故f′(x)≤ex。 ◻

7.1.2 习题5.2

例 7.1.4 (习题5.2.2)设0<a<b,试比较ab与ba的大小。

解 原题等价于(22)ab⋚ba⟺ln⁡aa⋚ln⁡bb 考虑函数f(x):=ln⁡xx,则f′(x)=1−ln⁡xx2,故f(x)在(0,e)上严格减,在(e,+∞)上严格增。因此:

◻

例 7.1.5 (习题5.2.6)比较xsin⁡x和tan⁡xx的大小,其中0<x<π2。

解 原题等价于(23)xsin⁡x⋚tan⁡xx⟺cos⁡x⋚sin2⁡xx2 注意到(24)cos⁡x=1−2sin2⁡x2<1−2(x2−x348)2<(1−x26)2<sin2⁡xx2 其中用到了(25)sin⁡x>x−x36>0,∀x∈(0,2) ◻

例 7.1.6 (习题5.2.12)Young不等式。设正数p,q满足1p+1q=1,证明:∀x,y∈R+,都成立不等式(26)xpp+yqq≥xy 并讨论等号成立的条件。

证明 考虑函数(27)f(x):=xpp+yqq−xy 则有(28)f′(x)=xp−1−y=0⟹ξ=y1p−1 由于p>1,故f′在R+严格增,因此f(x)在x=ξ处取得最小值,满足(29)f(x)≥f(ξ)=ypp−1p+yqq−y1p−1+1=yqp+yqq−yq=0 亦即(30)xpp+yqq≥xy 等号成立时,须有(31)x=y1p−1⟹xp=ypp−1=yq ◻