常微分方程教程_丁同仁(第二版)_习题解答

习 题 3-11. (1) 解: ,||),(αy y x f = 有α|||)0,(),(|y x f y x f =-，令 ,||)(αr r F =有⎰⎰--==1110010||11||)(r r r r r dr r F dr ααα， 当 01<-α, 即 1>α 时, ∞=--→αα10||11limr r , 所以 0)0(=y 的解唯一。

当 01=-α 时，1100|||ln )(r r r r F dr =⎰，而 ∞=→||ln lim 0r r ，所以 0)0(=y 的解唯一。

当 10<<α 时， 可解方程知其解不唯一。

所以当10<<α， 其解不唯一； 1≥α， 其解唯一。

（2）. 解: 因为0|l n |l i m 0=→y y y ,所以dxdy在 ),(+∞-∞ 连续. 设 |||ln |)(r r r F =, 有∞=⎰1)(r r F dr(01>r 为常数),所以方程的解唯一.2. 解: 构造毕卡序列, 令 1),(++=y x y x f , dx x y x f x y xn n ⎰=+01))(,()(,因为 0)0(=y ,所以 x x dx x f x y x +==⎰20121)0,()(,x x x dx x x x f x y x ++=+=⎰2302261)21,()(, x x x x dx y x f x y x +++==⎰23402331!41),()(,…………………………………………… x x x n x n dx y x f x y n n xn n +++++==+-⎰!22!2)!1(1),()(211 ,22)!22!2)!1(1(lim )(lim 21--=+++++=+∞→∞→x e x x x n x n x y x n n n n n , 所以 22--=x e y x为方程的解. 3. 证明: 反证法设初始问题(E)有两个解, )(x y 和)(1x y , 且 0010)()(y x y x y ==,01x x >∃, 使 )()(111x y x y >, 令 )()(,sup{110x y x y x x x =<≤=μ根据μ 的定义与y 的连续性可知,对),(1x x μ∈∀,)()(1x y x y >, 令 )()()(1x y x y x r -=, 令 )()()(1x y x y x r -=, 有 0)(=μr , 有))(,())(,(1x y x f x y x f dxdr-=, 因为 ),(y x f 对 y 是递减的, 所以0<dxdr, 对 ),(1x x μ∈∀, 所以 0)()(=<μr x r , 对 ),(1x x μ∈∀, 又由y 的连续性, 可得 )()(111x y x y <,矛盾!习 题 3-31.证明:令)()(),(x b y x a y x f +=, 显然),(y x f+∞<<∞-∈y I x S ,:内连续, 且满足不等式|)(||||)(||),(|x b y x a y x f +≤,其中令 0|)(|)(≥=x a x A , 0|)(|)(≥=x b x B , 由已知有 )(x A ,)(x B 在I x ∈上是连续的, 则由定理5, 知 )(x y y = 的最大存在区间为I2. (1) 解：令 221),(yx y x f +=，则 ),(y x f 在区域 }0,{1≠+∞<<-∞=y x G 上连续,或 },00{2+∞<<-∞+∞<<<<-∞=y x x G 上连续。

第四章 奇解习题4-11．求解下列微分方程：（通解）特解）（特解）解：221222)(2222222222)(2101.(42202..0)1)(2(0)2()2(2222);(,242).1(C Cx y x x C x y C x p b x x x x y x p x p a x p x p x p xx p p p x px y p x px p y x C x dxdpdx dp dx dp dx dp dx dp dx dp p dxdy ++-=⇒++-+=⇒+-=⇒-=⇒=+-=+-=⇒-=⇒=+=++⇒=+++⇒+++=++==++=+-224ln 4ln 2ln 22ln 2ln 2ln 222ln )(ln 0x .)]([ln 2ln 02ln ..0))(2(ln 22)1(ln ln );(,)(ln ).2(222C x C y x x x y p p x b y x x x y p xp x xp x a p x xp x p x xp x p x x p p xp x px y xC xC xC dx dp xx x x x x x xx dx dp dxdp dx dp dxdy +=⇒+=⇒=⇒=+-=+-=⇒-+-=⇒-=⇒-=⇒=+=++⇒++++==+=（特解）解：dydqqyq y y dydq q ydydx pyp p y q y q y q x q y x y p y xp 3222222cos 2)sin (cos 222cos 12cos 123sec tan ,tan ,,tan .cos tan 22).3(-++=+===+=+=-令解：yy y y x q q y b y C x y C q y q y q a y y q y q y q y y q y yy ytyyyyy qyC dydq dy dq q y dy dq dy dqq y dy dq dydq qyqyy dy dq 32323232sin 2cos 2313133223232322sin sin sin tan 0tan .sin cos tan 0tan .0)(tan tan (0)tan ()tan (tan 0tan tan 23212cos sin cos sin cos sin cos 3cos 21cos cos cos sin cos 2=+=+=⇒=⇒=⇒=-+=⇒=⇒-=⇒=+=-+⇒=+-+⇒=-++⇒-（通解）2．用参数法求解下列微分方程：（特解）当当由解：令21cos 0sin )](cos[2)](cos[20sin .sin ,,sin ,cos 2,sin ,cos 4)(52)1(52510210210sin sin 2)cos 2(sin 552552522222552552552±=⇒±=⇒=+-=+-=⇒+-=⇒-==⇒=⇒≠==+∞<<-∞=====+y t t b C x C x y Cdt x dt dx t a tp x t p t y t p t y y ttdt t d tdydxdy dxdy 故解：令dt t sh xht d sht dx sht dy sht dx dy e e sht e e cht shtp cht x dxdy x t t t t 3)(3332,2,3,.1)(3).2(222===⇒=-=+====---Ct t sh Ct e e C t d e e Cdt tsh y t t t t +-=+-+=+-+=+=--⎰⎰)2241(31)4(381)2()2(381322222Cdt t t t Cdt tt t v dtv v t t vt u t vdvdu v u vdu vdv udu pdxdy v u y v p u x x y tt t vdv t t t dv dtt dv dtt dvvdt tdv t vdttdv dv v u vu vv u dudv dxdy vu vu++---=++--==⇒=⇒=+⇒=⇒=-=⇒===-==⇒=-⇒=-=-====-+⎰⎰+---+---+-+--22122212ln ,,2)2(22,,,.0).(3(222212122212212211221222122222222令齐次方程解：令⎰⎰⎰⎰⎰-----=+--+-=+---16172411617241222)(221)(212222212212t tdt t dt dt t t t dt t t dt t t t⎰⎰⎰⎰--+---=--+--------=16172411617241161724116172411617241)(41161741(ln 21)(21)(41)(])[(21t dtt t dt t dt t t d αββαβαβαβαβαβαβαβααβα)()()()()()()()()()(1)()()()()()(,)(,,)41741()41741()(1.||ln )(ln ||ln 1721)11(17241))((41)(41417414174117411717411741174141174141174141174117414141174117414141174141174141174141174141174121172141741417411721417414174141741417414174141741172116172412122124174141741417414174141741417411617241212117212117212v u C v u v u C v u v u C v u v u C v u v u v u C vv u vv u CvuvuC t t C v t C v t t C t t t t ev t t t dt t t dtt t t t dt t dt Ct t t +=++=++=++=+++=++=++=++=+=--=+-=+---=+-----+-=+---+---=-+---=+----=+---=-----+-+-+---+----------------+--⎰⎰⎰⎰故令故（通解）,)()(22⎩⎨⎧+=+-=αββαp x C p x p x y （特解）故特解：⎩⎨⎧=====⨯======++=±-=±-=⇒±=⇒±=⇒±=⇒=+---+-+-+--+++++,,..172181722))161(161()171(1617144171417102222122122121721817222212417121281712641788264)179)(171(217917121721817222222222x y x y x x y b ax x x x x x x y a x x x x y u v v u t t t βαβ（通解）故令解：⎪⎩⎪⎨⎧++-==++-=⇒===⇒-=⇒-=⇒==-=-==++++++++++,,),()(,4),4(,).4(4)(.4)().4(3233323332331132)1(8141132)1(81414141432332333C y x Cy d xtd dy x x t xt x t x t x xt p x x x x x x t t t tt t t tt t t t t t dxdy dxdy dx dy dx dy dx dy dx dy 习题4-21．利用p-判别式求下列微分方程的奇解：的奇解。

习题6—21．求出常系数齐次性微分方程组Ay dxdy=的通解，其中的矩阵A 分别为 1）⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛2543 2）⎪⎪⎭⎫⎝⎛-o a a o 3）⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---4010100114）⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---942105520105 5）⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-------1111111111111111解：1） 特征方程3452λλ-- 即 0)2)(7(=+-λλ矩阵A 有特征根，71=λ 22-=λ对应于71=λ所有的特征向量⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛21v v 满足0)7(21=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-v v E A 即1244055v v -⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭。

取11=v ，则12=v 那么对应的实值解为xe y 7111⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=；对应22-=λ的特征向量⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛21v v 满足0)2(21=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+v v E A 即0454521=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛v v ，取41=v ，则52-=v ，那么对应的实值解为 zxe y -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=542。

于是该方程组的通解为x x e c e c y y 2271215411-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ 2）特征方程为0=---λλa a即022=+a λ矩阵A 有特征根ai =1λ 2ai λ=-对应ai =1λ的特征向量⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛21r r 应满足021=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---v v ai aa ai取11=v ，则i v =2 即么对应的特解为1211(cos sin )aix y e ax i ax y i i ⎛⎫⎛⎫⎛⎫==+ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭cos sin sin cos ax ax i ax ax ⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭由此得ai =1λ所对应的两个特解为（对2X2的方程组取一个特解的实部和虚部就可，因为虚根都是成对出现的。

）12cos sin y ax y ax ⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭ 122sin cos y ax y ax ⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 它们在),(+∞-∞上线性无关，故得方程组的通解：1122cos sin sin cos y ax ax c c y ax ax ⎛⎫⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭⎝⎭3）0401010011=------λλλ即0)1)(4(2=++λλ 矩阵A 有特征根 41-=λ，121-==λλ。

习 题 6—31．证明函数组 ，⎩⎨⎧<≥=000)(21x x x x 当当ϕ220 0()0x x x x ϕ≥⎧=⎨<⎩当 当，在区间上线性无关，但它们的朗斯基行列式恒等于零。

这与本节的定理 6.2*是否矛盾？如果并不矛盾，那么它说明了什么？),(+∞−∞证 设有 1122()0c x c ϕϕ+≡ +∞<<∞−x ，则当时，有，从而推得 。

而当 时，有0≥x 21200c x c +≡01=c 0<x 120c c x 0⋅+≡，从而推得 。

因此在02=c +∞<<∞−x 上，只有时，才有 021==c c 1122()()0c x c x ϕϕ+≡，故12(), ()x x ϕϕ在上线性无关。

又当时， ),(+∞−∞0≥x 0002)(2≡=x x x w ，当0<x 时，0200)(2≡=x x x w 故当+∞<<∞−x 时，有。

这与本节定理6.2不矛盾，因为定理6.2*成立对函数有要求，即0)(≡x w )(1x ϕ，)(2x ϕ是某个二阶齐次线性方程的解组。

这说明不存在一个二阶齐次线性方程，它以)(1x ϕ，)(2x ϕ为解组。

3．考虑微分方程''()0y q x y +=（1）设)(x y ϕ=与)(x y ψ=是它的任意两个解，试证)(x y ϕ=与)(x y ψ=的朗斯基行列式恒等于一个常数。

（2）设已知方程有一个特解为，试求这方程的通解，并确定 x e y =()?q x =证： （1）在解)(x y ϕ=，)(x y ψ=的公共存在区间内任取一点x 。

由刘维尔公式，有 （常数）[])()()(),(000x w ex w x x w odxx x=∫=−ψϕ（2）由于是方程的一个非零特解，故可借助刘维尔公式，求与之线性无关的特解 x e y =x odx xx e dx e ee y −∫−−=⋅=∫21122，故方程的通解为 xx e c e c y −+=21又由于是方程的解，故有x e y =()0x x e q x e +≡， 所以 ()1q x =−。