习题12-11. 试说出下列各微分方程的阶数:(1)x (y ')2-2yy '+x =0; 解 一阶. (2)x 2y '-xy '+y =0; 解 一阶. (3)xy '''+2y '+x 2y =0; 解 三阶. (4)(7x -6y )dx +(x +y )dy =0; 解 一阶. (5)022=++C Qdt dQ Rdt Q d L; 解 二阶(6)θρθρ2sin =+d d . 解 一阶. 2. 指出下列各题中的函数是否为所给微分方程的解:(1)xy '=2y , y =5x 2; 解 y '=10x . 因为xy '=10x 2=2(5x 2)=2y , 所以y =5x 2是所给微分方程的解 (2)y '+y =0, y =3sin x -4cos x ; 解 y '=3cos x +4sin x . 因为y '+y =3cos x +4sin x +3sin x -4cos x =7sin x -cos x ≠0, 所以y =3sin x -4cos x 不是所给微分方程的解.(3)y ''-2y '+y =0, y =x 2e x ; 解 y '=2xe x +x 2e x , y ''=2e x +2xe x +2xe x +x 2e x =2e x +4xe x +x 2e x . 因为y ''-2y '+y =2e x +4xe x +x 2e x -2(2xe x +x 2e x )+x 2e x =2e x ≠0,所以y =x 2e x 不是所给微分方程的解. (4)y ''-(λ1+λ2)y '+λ1λ2y =0, x x e C e C y 2121λλ+=. 解 x x e C e C y 212211λλλλ+=', x x e C e C y 21222211λλλλ+=''. 因为y y y 2121)(λλλλ+'+-'')())((2121212121221121222211x x x x x x e C e C e C e C e C e C λλλλλλλλλλλλλλ++++-+==0, 所以x x e C e C y 2121λλ+=是所给微分方程的解.3. 在下列各题中, 验证所给二元方程所确定的函数为所给微分方程的解:(1)(x -2y )y '=2x -y , x 2-xy +y 2=C ; 解 将x 2-xy +y 2=C 的两边对x 求导得2x -y -xy '+2y y '=0, 即 (x -2y )y '=2x -y , 所以由x 2-xy +y 2=C 所确定的函数是所给微分方程的解. (2)(xy -x )y ''+xy '2+yy '-2y '=0, y =ln(xy ). 解 将y =ln(xy )的两边对x 求导得 y yx y '+='11, 即x xy y y -='. 再次求导得)(1)()()1()(2222y y y y yxx xy x xy y y y x x xy y x y y x xy y y '+'-'-⋅-=-+-'-=--'+--'=''. 注意到由y y x y '+='11可得1-'='y x y yx, 所以)2(1])1([12y y y y x xxy y y y y y x x xy y '+'-'-⋅-='+'-'-'-⋅-='', 从而 (xy -x )y ''+xy '2+yy '-2y '=0,即由y =ln(xy )所确定的函数是所给微分方程的解.4. 在下列各题中, 确定函数关系式中所含的参数, 使函数满足所给的初始条件: (1)x 2-y 2=C , y |x =0=5; 解 由y |x =0=0得02-52=C , C =-25, 故x 2-y 2=-25. (2)y =(C 1+C 2x )e 2x , y |x =0=0, y '|x =0=1; 解 y '=C 2e 2x +2(C 1+C 2x )e 2x . 由y |x =0=0, y '|x =0=1得⎩⎨⎧=+=1121C C C , 解之得C 1=0, C 2=1, 故y =xe 2x .(3)y =C 1sin(x -C 2), y |x =π=1, y '|x =π=0. 解 y '=C 1cos(x -C 2). 由y |x =π=1, y '|x =π=0得⎩⎨⎧=-=-0)cos(1)sin(2121C C C C ππ, 即⎩⎨⎧=-=0cos 1sin 2121C C C C , 解之得C 1=1, 22π=C , 故)2sin(π-=x y , 即y =-cos x .5. 写出由下列条件确定的曲线所满足的微分方程: (1)曲线在点(x , y )处的切线的斜率等于该点横坐标的平方;解 设曲线为y =y (x ), 则曲线上点(x , y )处的切线斜率为y ', 由条件y '=x 2, 这便是所求微分方程.(2)曲线上点P (x , y )处的法线与x 轴的交点为Q , 且线段PQ 被y 轴平分. 解 设曲线为y =y (x ), 则曲线上点P (x , y )处的法线斜率为y '-1, 由条件第PQ 中点的横坐标为0, 所以Q 点的坐标为(-x , 0), 从而有y x x y '-=+-10, 即yy '+2x =0. 6. 用微分方程表示一物理命题: 某种气体的气压P 对于温度T 的变化率与气压成正比, 所温度的平方成反比. 解2TPk dT dP =, 其中k 为比例系数. 习题12-21. 求下列微分方程的通解: (1)xy '-y ln y =0; 解 分离变量得dx xdy y y 1ln 1=, 两边积分得⎰⎰=dx xdy y y 1ln 1, 即 ln(ln y )=ln x +ln C ,故通解为y =e Cx . (2)3x 2+5x -5y '=0; 解 分离变量得5dy =(3x 2+5x )dx , 两边积分得⎰⎰+=dx x x dy )53(52,即 123255C x x y ++=, 故通解为C x x y ++=232151, 其中151C C =为任意常数.(3)2211y y x -='-; 解 分离变量得2211xdx ydy -=-,两边积分得⎰⎰-=-2211xdx ydy 即 arcsin y =arcsin x +C , 故通解为y =sin(arcsin x +C ).(4)y '-xy '=a (y 2+y ');解 方程变形为(1-x -a )y '=ay 2, 分离变量得dx x a a dy y --=112,两边积分得⎰⎰--=dx x a a dy y112, 即 1)1l n (1C x a a y----=-, 故通解为)1ln(1x a a C y --+=, 其中C =aC 1为任意常数.(5)sec 2x tan ydx +sec 2y tan xdy =0;解 分离变量得dx x x y y y tan sec tan sec 22-=, 两边积分得⎰⎰-=dx xxy y y tan sec tan sec 22, 即 ln(tan y )=-ln(tan x )+ln C , 故通解为tan x tan y =C .(6)y x dx dy+=10; 解 分离变量得10-ydy =10xdx , 两边积分得⎰⎰=-dx dy xy1010, 即10ln 10ln 1010ln 10Cx y +=--, 或 10-y =10x +C ,故通解为y =-lg(C -10x ).(7)(e x +y -e x )dx +(e x +y +e y )dy =0; 解 方程变形为e y (e x +1)dy =e x (1-e y )dx ,分离变量得dx e e dy e e x x y y +=-11, 两边积分得⎰⎰+=-dx e e dy e e xxy y 11, 即 -ln(e y )=ln(e x +1)-ln C , 故通解为(e x +1)(e y-1)=C . (8)cos x sin ydx +sin x cos ydy =0; 解 分离变量得dx x x dy y y sin cos sin cos -=, 两边积分得⎰⎰-=dx xxdy y y sin cos sin cos , 即 ln(sin y )=-ln(sin x )+ln C , 故通解为sin x sin y =C .(9)0)1(32=++x dxdyy ; 解 分离变量得 (y +1)2dy =-x 3dx ,两边积分得⎰⎰-=+dx x dy y 32)1(,即 14341)1(31C x y +-=+,故通解为4(y +1)3+3x 4=C (C =12C 1). (10)ydx +(x 2-4x )dy =0. 解 分离变量得dx xx dy y )411(4-+=, 两边积分得⎰⎰-+=dx x x dy y )411(4, 即 ln y 4=ln x -ln(4-x )+ln C , 故通解为y 4(4-x )=Cx .2. 求下列微分方程满足所给初始条件的特解: (1)y '=e 2x -y , y |x =0=0; 解 分离变量得e y dy =e 2x dx , 两边积分得⎰⎰=dx e dy e x y 2, 即 C e e xy +=221, 或 )21l n (2C e y x +=. 由y |x =0=0得0)21ln(=+C , 21=C ,所以特解)2121ln(2+=x e y . (2)cos x sin ydy =cos y sin xdx , 4|0π==x y ;解 分离变量得tan y dy =tan x dx , 两边积分得⎰⎰=xdx ydy tan tan , 即 -ln(cos y )=-ln(cos x )-ln C , 或 cos y =C cos x . 由4|0π==x y 得C C ==0cos 4cosπ, 21=C , 所以特解为x y cos cos 2=.(3)y 'sin x =y ln y , e y x ==2π;解 分离变量得dx xdy y y sin 1ln 1=, 两边积分得⎰⎰=dx x dy y y sin 1ln 1, 即 C x y ln )2ln(tan )ln(ln +=, 或 2t a n xC ey =. 由e y x ==2π得4tan πC ee =, C =1, 所以特解为2tan xe y =.(4)cos ydx +(1+e -x )sin ydy =0, 4|0π==x y ;解 分离变量得dx e e dy y y x x +=-1cos sin , 两边积分得⎰⎰+=-dx ee dy y y xx1cos sin , 即 ln|cos y |=ln(e x+1)+ln |C |, 或 cos y =C (e x+1).由4|0π==x y 得)1(4cos 4+=ππe C , 42=C , 所以特解为)1(42cos +=xe y . (5)xdy +2ydx =0, y |x =2=1. 解 分离变量得dx x dy y 21-=, 两边积分得⎰⎰-=dx xdy y 21,即 ln y =-2ln x +ln C , 或 y =Cx -2. 由y |x =2=1得C ⋅2-2=1, C =4, 所以特解为24xy =.3. 有一盛满了水的圆锥形漏漏斗, 高为10cm , 顶角为60︒, 漏斗下面有面积为0. 5cm 2的孔, 求水面高度变化的规律及流完所需的时间.解 设t 时该已流出的水的体积为V , 高度为x , 则由水力学有x dtdV)9802(5.062.0⨯⨯⨯=, 即dt x dV )9802(5.062.0⨯⨯⨯=. 又因为330tan x x r =︒=, 故 dx x dx r V 223ππ-=-=,从而 dx x dt x 23)9802(5.062.0π-=⨯⨯⨯, 即 dxx dt 2398025.062.03⨯⨯⨯=π,因此 C x t +⨯⨯⨯-=2598025.062.032π. 又因为当t =0时, x =10, 所以251098025.062.053⨯⨯⨯⨯=πC , 故水从小孔流出的规律为645.90305.0)10(98025.062.0532252525+-=-⨯⨯⨯⨯=x x t π.令x =0, 得水流完所需时间约为10s .4. 质量为1g (克)的质点受外力作用作直线运动, 这外力和时间成正比, 和质点运动的速度成反比. 在t =10s 时, 速度等于50cm/s , 外力为4g cm/s 2, 问从运动开始经过了一分钟后的速度是多少？ 解 已知v t k F =, 并且法t =10s 时, v =50cm/s , F =4g cm/s 2, 故50104k =, 从而k =20, 因此v tF 20=. 又由牛顿定律, F =ma , 即vt dt dv 201=⋅, 故v dv =20t d t . 这就是速度与时间应满足的微分方程. 解之得C t v +=221021, 即C t v 2202+=.由初始条件有C +⨯=⨯2210105021, C =250. 因此500202+=t v .当t =60s 时, cm/s 3.26950060202=+⨯=v .5. 镭的衰变有如下的规律: 镭的衰变速度与它的现存量R 成正比. 由经验材料得知, 镭经过1600年后, 只余原始量R 0的一半. 试求镭的量R 与时间t 的函数关系. 解 由题设知, R dtdR λ-=, 即dt RdR λ-=, 两边积分得ln R =-λt +C 1,从而 )( 1C t e C Ce R ==-λ. 因为当t =0时, R =R 0, 故R 0=Ce 0=C , 即R =R 0e -λt. 又由于当t =1600时, 021R R =, 故λ16000021-=e R R , 从而16002ln =λ. 因此 t t e R eR R 000433.0010002ln 0--==. 6. 一曲线通过点(2, 3), 它在两坐标轴间的任一切线线段均被切点所平分, 求这曲线方程.解 设切点为P (x , y ), 则切线在x 轴, y 轴的截距分别为2x , 2y , 切线斜率为x y x y -=--2002, 故曲线满足微分方程: xy dx dy -=, 即dx x dy y 11-=,从而 ln y +ln x =ln C , xy =C .因为曲线经过点(2, 3), 所以C =2⨯3=6, 曲线方程为xy =6. 7. 小船从河边点O 处出发驶向对岸(两岸为平行直线). 设船速为a , 船行方向始终与河岸垂直, 又设河宽为h , 河中任一点处的水流速度与该点到两岸距离的乘积成正比(比例系数为k ). 求小船的航行路线.解 建立坐标系如图. 设t 时刻船的位置为(x , y ), 此时水速为)(y h ky dtdxv -==, 故dx =ky (h -y )dt . 又由已知, y =at , 代入上式得dx =kat (h -at )dt , 积分得 C t ka kaht x +-=3223121. 由初始条件x |t =0=0, 得C =0, 故3223121t ka kaht x -=. 因此船运动路线的函数方程为⎪⎩⎪⎨⎧=-=ayy t ka kaht x 3223121, 从而一般方程为)312(32y y h a k x -=. 习题12-31. 求下列齐次方程的通解:(1)022=---'x y y y x ; 解 原方程变为1)(2--=xyx y dx dy . 令x y u =, 则原方程化为12-+=+u u dx du x u , 即dx x du u 1112=-,两边积分得C x u u ln ln )1ln(2+=-+, 即Cx u u =-+12,将x y u =代入上式得原方程的通解Cx x yx y =-+1)(2, 即222Cx x y y =-+.(2)xyy dx dy xln =; 解 原方程变为x y x y dx dy ln =. 令xyu =, 则原方程化为 u u dxdu xu ln =+, 即dx x du u u 1)1(ln 1=-, 两边积分得ln(ln u -1)=ln x +ln C , 即u =e Cx +1, 将xy u =代入上式得原方程的通解y =xe Cx +1. (3)(x 2+y 2)dx -xydy =0; 解 这是齐次方程. 令xyu =, 即y =xu , 则原方程化为 (x 2+x 2u 2)dx -x 2u (udx +xdu )=0, 即dx xudu 1=, 两边积分得u 2=ln x 2+C , 将xyu =代入上式得原方程的通解y 2=x 2(ln x 2+C ). (4)(x 3+y 3)dx -3xy 2dy =0; 解 这是齐次方程. 令xyu =, 即y =xu , 则原方程化为 (x 3+x 3u 3)dx -3x 3u 2(udx +xdu )=0, 即dx x du u u 121332=-,两边积分得C x u ln ln )21ln(213+=--, 即2312x Cu -=, 将xyu =代入上式得原方程的通解x 3-2y 3=Cx . (5)0ch 3)ch 3sh2(=-+dy xyx dx x y y x y x ;解 原方程变为x y x y dx dy +=th 32. 令xyu =, 则原方程化为 u u dxdu x u +=+th 32, 即dx xdu uu 2sh ch 3=,两边积分得3ln(sh u )=2ln x +ln C , 即sh 3u =Cx 2, 将x y u =代入上式得原方程的通解22sh Cx xy=. (6)0)1(2)21(=-++dy y x e dx e yx yx. 解 原方程变为yx yxee y xdydx 21)1(2+-=. 令yxu =, 则原方程化为u ue eu dy du y u 21)1(2+-=+, 即uu e e u dy du y 212++-=,分离变量得dy y du eu e uu 1221-=++, 两边积分得ln(u +2e u )=-ln y +ln C , 即y (u +2e u)=C , 将yxu =代入上式得原方程的通解C e y x y y x=+)2(, 即C yex yx=+2.2. 求下列齐次方程满足所给初始条件的特解: (1)(y 2-3x 2)dy +2xydx =0, y |x =0=1; 解 这是齐次方程. 令xyu =, 即y =xu , 则原方程化为 (x 2u 2-3x 2)(udx +xdu )+2x 2udx =0,即 dx x du u u u 1332=--, 或dx x du u u u 1)11113(=-+++-两边积分得-3ln |u |+ln|u +1|+ln|u -1|=ln|x |+ln|C |, 即u 2-1=Cxu 3, 将xyu =代入上式得原方程的通解y 2-x 2=Cy 3. 由y |x =0=1得C =1, 故所求特解为y 2-x 2=y 3. (2)xyy x y +=', y |x =1=2; 解 令x y u =, 则原方程化为u u dx du x u +=+1, 即dx xudu 1=, 两边积分得C x u +=ln 212, 将xyu =代入上式得原方程的通解 y 2=2x 2(ln x +C ). 由y |x =1=2得C =2, 故所求特解为y 2=2x 2(ln x +2).(3)(x 2+2xy -y 2)dx +(y 2+2xy -x 2)dy =0, y |x =1=1. 解 这是齐次方程. 令xyu =, 即y =xu , 则原方程化为 (x 2+2x 2u -x 2u 2)dx +(x 2u 2+2x 2u -x 2)(udx +xdu )=0, 即dx x du u u u u u 1112232-=+++-+, 或 dx x du u u u 1)1211(2=+-+, 两边积分得ln|u +1|-ln(u 2+1)=ln|x |+ln|C |, 即u +1=Cx (u 2+1), 将xy u =代入上式得原方程的通解x +y =C (x 2+y 2). 由y |x =1=1得C =1, 故所求特解为x +y =(x 2+y 2).3. 设有连结点O (0, 0)和A (1, 1)的一段向上凸的曲线弧A O , 对于A O上任一点P (x , y ),曲线弧P O 与直线段OP 所围图形的面积为x 2, 求曲线弧A O 的方程.解 设曲线弧A O 的方程为y =y (x ). 由题意得20)(21)(x x xy dx x y x =-⎰,两边求导得x x y x x y x y 2)(21)(21)(='--, 即 4-='xy y . 令x yu =, 则有4-=+u dx du xu , 即dx xdu u 41-=, 两边积分得u =-4ln x +C . 将xyu =代入上式得方程的通解y =-4x ln x +Cx . 由于A (1, 1)在曲线上, 即y (1)=1, 因而C =1, 从则所求方程为y =-4x ln x +x .习题12-41. 求下列微分方程的通解:(1) )()()(C x e C dx e e e C dx e e e y x x x x dxx dx +=+⋅=+⎰⋅⎰=-----⎰⎰.(2)原方程变为x x y x y 231++=+'.])23([11C dx e xx e y dx x dx x +⎰⋅++⎰=⎰-])23([1])23([12C dx x x x C xdx x x x +++=+++=⎰⎰ xC x x C x x x x +++=+++=22331)22331(1223.(3) )(cos sin cos C dx e e e y xdxx dx +⎰⋅⎰=⎰--)()(sin sin sin sin C x e C dx e e e x x x x +=+⋅=---⎰. (4) )2sin (tan tan C dx e x e y xdx xdx +⎰⋅⎰=⎰-)2sin (cos ln cos ln C dx e x e x x +⋅=⎰-⎰+⋅=)c o s 1c o s s i n 2(c o s C dx xx x x =cos x (-2cos x +C )=C cos x -2cos 2x .(5)原方程变形为1cos 1222-=-+'x x y x x y . )1cos (1221222C dx e x x e y dx x xdx x x+⎰⋅-⎰=⎰--- )(s i n 11])1(1c o s [112222C x x C dx x x x x +-=+-⋅--=⎰. (6) )2(33C d e e d d +⎰⋅⎰=⎰-θρθθ)2(33C d e e +=⎰-θθθθθθ33332)32(--+=+=Ce C e e . (7) )4(22C dx e x e y xdxxdx +⎰⋅⎰=⎰-)4(22C dx e x e x x +⋅=⎰-2222)2(x x x Ce C e e --+=+=.(8)原方程变形为yx y y dy dx 1ln 1=+. )1(ln 1ln 1C dy e y e x dy y y dyyy +⎰⋅⎰=⎰- )ln 1(ln 1C ydy y y +⋅=⎰yCy C y y ln ln 21)ln 21(ln 12+=+=. (9)原方程变形为2)2(221-=--x y x dx dy . ])2(2[21221C dx e x e y dx x dx x +⎰⋅-⎰=⎰--- ⎰+-⋅--=]21)2(2)[2(2C dx x x x =(x -2)[(x -2)2+C ]=(x -2)3+C (x -2). (10)原方程变形为y x y dy dx 213-=-. ])21([33C dy e y e x dy y dy y +⎰⋅-⎰=⎰- )121(33C d y y y y +⋅-=⎰32321)21(Cy y C y y +=+=.2.)sec (tan tan C dx e x e y xdxxdx+⎰⋅⎰=⎰-)(c o s 1)c o s s e c (c o s 1C x xC x d x x x +=+⋅=⎰. 由y |x =0=0, 得C =0, 故所求特解为y =x sec x .(2) )sin (11C dx e x x e y dx x dx x +⎰⋅⎰=⎰-)cos (1)sin (1C x xC xdx x x x +-=+⋅=⎰. 由y |x =π=1, 得C =π-1, 故所求特解为)cos 1(1x xy --=π.(3) )5(cot cos cot C dx e e e y xdxx xdx +⎰⋅⎰=⎰-)5(s i n 1)s i n 5(s i n 1c o s c o s C e xC x d x e x xx +-=+⋅=⎰. 由4|2-==πx y , 得C =1, 故所求特解为)15(sin 1cos +-=x e xy . (4) )8(33C dx e e y dxdx +⎰⋅⎰=⎰-x x x x x Ce C e e C dx e e 3333338)38()8(---+=+=+=⎰.由y |x =0=2, 得32-=C , 故所求特解为)4(323x e y --=. (5) )1(32323232C dxe ey dx x x dx x x +⎰⋅⎰=⎰---)21()1(22221131313C e e x C dx e xex x x x x +=+=--⎰.由y |x =1=0, 得e C 21-=, 故所求特解为)1(211132--=x e x y .3. 解 由题意知y '=2x +y , 并且y |x =0=0. 由通解公式得)2()2(C dx xe e C dx xe e y x x dxdx +=+⎰⎰=⎰⎰--=e x (-2xe -x -2e -x +C )=Ce x -2x -2.由y |x =0=0, 得C =2, 故所求曲线的方程为y =2(e x -x -1). 4.由牛顿定律F =ma , 得v k t k dtdvm21-=, 即t m k v m k dt dv 12=+. 由通解公式得)()(222211C dt e t mk eC dt et mk ev tm k tmk dtm k dtm k +⋅=+⎰⋅⎰=⎰⎰--)(22222121C ek mk tek k etmk tmk tmk +-=-. 由题意, 当t =0时v =0, 于是得221k mk C =. 因此)(22122121222k mk e k mk te k k ev tm k tm k tmk +-=-即 )1(222121tmk ek mk t k k v ---=.5.由回路电压定律知01025sin 20=--i dtdi t , 即t i dtdi 5sin 105=+.由通解公式得t dtdt Ce t t C dt e t e i 5555cos 5sin )5sin 10(--+-=+⎰⋅⎰=⎰.因为当t =0时i =0, 所以C =1. 因此)45s i n (25c o s 5s i n 55π-+=+-=--t e e t t i t t (A).6.因为当x >0时, 所给积分与路径无关, 所以])(2[)]([2x x xf xx yf y -∂∂=∂∂, 即 f (x )=2f (x )+2xf '(x )-2x , 或 1)(21)(=+'x f xx f .因此 xC x C dx x xC dx eex f dxx dx x +=+=+⎰⋅⎰=⎰⎰-32)(1)1()(2121. 由f (1)=1可得31=C , 故xx x f 3132)(+=.7. (1)原方程可变形为x x ydx dy y sin cos 112-=+, 即x x y dx y d cos sin )(11-=---.])c o s s i n ([1C dx e x x e y dxdx +⎰⋅-⎰=--⎰x Ce C dx e x x e x x x sin ])sin (cos [-=+-=⎰-,原方程的通解为x Ce yx sin 1-=. (2)原方程可变形为x y x dxdy y =-1312, 即x xy dx y d -=+--113)(. ])([331C dx e x eyxdxxdx+⎰⋅-⎰=⎰--)(222323C dx xe e x x +-=⎰-31)31(222232323-=+-=--x x xCe C e e, 原方程的通解为311223-=-x Ce y .(3)原方程可变形为)21(31131134x ydx dy y -=+, 即12)(33-=---x y dx y d .])12([3C dx e x e y dxdx +⎰⋅-⎰=--⎰x x x Ce x C dx e x e +--=+-=⎰-12])12([,原方程的通解为1213--=x Ce yx .(4)原方程可变形为x y dx dy y =-4511, 即x y dx y d 44)(44-=+--. ])4([444C dx e x e y dx dx +⎰⋅-⎰=⎰-- )4(44C dx xe e x +-=⎰-x Ce x 441-++-=, 原方程的通解为x Ce x y44411-++-=.(5)原方程可变形为)ln 1(11123x yx dx dy y +=⋅-⋅, 即)ln 1(22)(22x y x dx y d +-=+--.])ln 1(2[222C dx ex e y dxx dxx +⎰⋅+-⎰=⎰--])ln 1(2[122C dx x x x++-=⎰ x x x xC 94ln 322--=, 原方程的通解为x x x x C y 94ln 32122--=. 8. 解 原方程可变形为)()(xy xg xy yf dx dy -=. 在代换v =xy 下原方程化为 )()(22v g x v vf x vdx dvx-=-, 即 dx x du v f v g v v g 1)]()([)(=-, 积分得C x d u v f v g v v g +=-⎰ln )]()([)(,对上式求出积分后, 将v =xy 代回, 即得通解. 9. (1) 令u =x +y , 则原方程化为21u dx du =-, 即21ududx +=. 两边积分得x =arctan u +C . 将u =x +y 代入上式得原方程的通解x =arctan(x +y )+C , 即y =-x +tan(x -C ). (2) 令u =x -y , 则原方程化为111+=-udx du , 即dx =-udu . 两边积分得1221C u x +-=.将u =x +y 代入上式得原方程的通解12)(21C y x x +--=, 即(x -y )2=-2x +C (C =2C 1). (3)令u =xy , 则原方程化为u x u x u x u dx du x x ln )1(2=+-, 即du uu dx x ln 11=.两边积分得ln x +ln C =lnln u , 即u =e Cx . 将u =xy 代入上式得原方程的通解 xy =e Cx , 即Cx e xy 1=.(4)原方程变形为y '=(y +sin x -1)2-cos x . 令u =y +sin x -1, 则原方程化为x u x dx du cos cos 2-=-, 即dx du u=21. 两边积分得 C x u +=-1. 将u =y +sin x -1代入上式得原方程的通解C x x y +=-+-1sin 1, 即Cx x y +--=1sin 1.(5)原方程变形为)1()1(22y x xy x xy y dx dy +++-=. 令u =xy , 则原方程化为)1()1(1222u u x u u x u dx du x +++-=-, 即)1(1223u u x u dx du x ++=. 分离变量得du u u u dx x )111(123++=. 两边积分得u u uC x ln 121ln 21+--=+. 将u =xy 代入上式得原方程的通解xy xy yx C x ln 121ln 221+--=+,即 2x 2y 2ln y -2xy -1=Cx 2y 2(C =2C 1). 习题12-51. 判别下列方程中哪些是全微分方程, 并求全微分方程的通解: (1)(3x 2+6xy 2)dx +(6x 2y +4y 2)dy =0; 解 这里P =3x 2+6xy 2, Q =6x 2y +4y 2. 因为xQ xy y P∂∂==∂∂12, 所以此方程是全微分方程, 其通解为C dy y y x dx xyx=++⎰⎰02202)46(3,即 C y y x x =++3223343. (2)(a 2-2xy -y 2)dx -(x +y )2dy =0; 解 这里P =a 2-2xy -y 2, Q =-(x +y )2. 因为xQ y x y P∂∂=--=∂∂22, 所以此方程是全微分方程, 其通解为C dy y x dx a yx=+-⎰⎰0202)(,即 a 2x -x 2y -xy 2=C .(3)e ydx +(xe y-2y )dy =0; 解 这里P =e y, Q =xe y-2y . 因为xQ e y Py ∂∂==∂∂, 所以此方程是全微分方程, 其通解为C dy y xe dx e yy x=-+⎰⎰00)2(,即 xe y -y 2=C .(4)(x cos y +cos x )y '-y sin x +sin y =0;解 原方程变形为(x cos y +cos x )dy -(y sin x +sin y )dx =0. 这里P =-(y sin x +sin y ), Q =x cos y +cos x . 因为xQ x y y P∂∂=-=∂∂s i n c o s , 所以此方程是全微分方程, 其通解为C dy x y x dx yx=++⎰⎰0)cos cos (0,即 x sin y +y cos x =C . 解(5)(x 2-y )dx -xdy =0;解 这里P =x 2-y , Q =-x . 因为xQ y P∂∂=-=∂∂1, 所以此方程是全微分方程, 其通解为 C x d y dx x yx=-⎰⎰02,即C xy x =-331. (6)y (x -2y )dx -x 2dy =0;解 这里P =y (x -2y ), Q =-x 2. 因为y x y P4-=∂∂, x xQ 2-=∂∂, 所以此方程不是全微分方程. (7)(1+e 2θ)d ρ+2ρe 2θd θ=0; 解 这里P =1+e 2θ, Q =2ρe 2θ. 因为xQ e y P∂∂==∂∂θ22, 所以此方程是全微分方程, 其通解为C d e d =+⎰⎰θθρθρρ02022,即 ρ(e 2θ+1)=C . (8)(x 2+y 2)dx +xydy =0. 解 这里P =x 2+y 2, Q =xy . 因为y y P2=∂∂, y xQ =∂∂, 所以此方程不是全微分方程.2. 利用观察法求出下列方程的积分因子, 并求其通解: (1)(x +y )(dx -dy )=dx +dy ; 解 方程两边同时乘以yx +1得 yx dydx dy dx ++=-, 即d (x -y )=d ln(x +y ), 所以yx +1为原方程的一个积分因子, 并且原方程的通解为 x -y =ln(x +y )+C . (2)ydx -xdy +y 2xdx =0; 解 方程两边同时乘以21y 得 02=+-x d x y x d y y d x , 即0)2()(2=+x d y x d ,所以21y 为原方程的一个积分因子, 并且原方程的通解为C x y x =+22. (3)y 2(x -3y )dx +(1-3y 2x )dy =0; 解 原方程变形为xy 2dx -3y 3dx +dy -3x 2dy =0, 两边同时乘以21y 并整理得 0)33(2=+-+x d y y d x y dy xdx , 即0)(3)1()2(2=--xy d yd x d , 所以21y为原方程的一个积分因子, 并且原方程的通解为C xy yx =--3122. (4)xdx +ydy =(x 2+y 2)dx ; 解 方程两边同时乘以221y x +得022=-++dx y x ydy xdx , 即0)]ln(21[22=-+dx y x d ,所以221yx +为原方程的一个积分因子, 并且原方程的通解为 x 2+y 2=Ce 2x . (5)(x -y 2)dx +2xydy =0; 解 原方程变形为 xdx -y 2dx +2xydy =0, 两边同时乘以21x 得 0222=-+x dxy xydy x dx , 即0)()(ln 2=+x y d x d , 所以21x为原方程的一个积分因子, 并且原方程的通解为 C xy x =+2ln , 即x ln x +y 2=Cx .(6)2ydx -3xy 2dx -xdy =0. 解 方程两边同时乘以x 得2xydx -x 2dy -3x 2y 2dx =0, 即yd (x 2)-x 2dy -3x 2y 2dx =0, 再除以y 2得 03)(2222=--dx x y dyx x yd , 即0)(32=-x yx d 所以2y x为原方程的一个积分因子, 并且原方程的通解为 032=-x yx . 3. 验证)]()([1xy g xy f xy -是微分方程yf (xy )dx +xg (xy )dy =0的积分因子, 并求下列方程的通解:解 方程两边乘以)]()([1xy g xy f xy -得0])()([)]()([1=+-dy xy xg dx xy yf xy g xy f xy ,这里)]()([)(xy g xy f x xy f P -=, )]()([)(xy g xy f y xy g Q -=.因为x Q xy g xy f xy g xy f xy g xy f y P∂∂=-'-'=∂∂2)]()([)()()()(, 所以)]()([1xy g xy f xy -是原方程的一个积分因子.(1)y (x 2y 2+2)dx +x (2-2x 2y 2)dy =0;解 这里f (xy )=x 2y 2+2, g (xy )=2-2x 2y 2 , 所以3331)]()([1y x xy g xy f xy =-是方程的一个积分因子. 方程两边同乘以3331y x 得全微分方程032323222232=-++dy y x y x dx y x x ,其通解为C dy yx y x dx x x y x=-++⎰⎰132221323232, 即 C yx y x =-+-)11ln (ln 31222, 或2212y x e Cy x =.(2)y (2xy +1)dx +x (1+2xy -x 3y 3)dy =0.解 这里f (x y )=2x y +1, g (x y )=1+2x y -x 3 y 3 , 所以441)]()([1yx xy g xy f xy =-是方程的一个积分因子. 方程两边同乘以441yx 得全微分方程 02112433334=-+++dy y x y x xy dx y x xy ,其通解为 C dy y x y x xy dx x x y x=-+++⎰⎰14333142112,即C y y x y x =++||ln 3113322. 4. 用积分因子法解下列一阶线性方程: (1)xy '+2y =4ln x ; 解 原方程变为x xy x y ln 42=+', 其积分因子为 22)(x e x dxx =⎰=μ,在方程x xy x y ln 42=+'的两边乘以x 2得 x 2y '+2xy =4x ln x , 即(x 2y )'=4x ln x , 两边积分得C x x x x d x x y x +-==⎰222ln 2ln 4, 原方程的通解为21ln 2x Cx y +-=.(2)y '-tan x ⋅y =x .解 积分因子为x e x xdxcos )(tan =⎰=-μ,在方程的两边乘以cos x 得cos x ⋅y '-sin x ⋅y =x cos x , 即(cos x ⋅y )'=x cos x , 两边积分得C x x x x d x x y x ++==⋅⎰c o s s i n c o s c o s , 方程的通解为xC x x y cos 1tan ++=.习题12-61. 求下列各微分方程的通解: (1)y ''=x +sin x ; 解 12cos 21)sin (C x x dx x x y +-=+='⎰, 21312s i n 61)c o s 21(C x C x x dx C x x y ++-=+-=⎰, 原方程的通解为 213s i n 61C x C x x y ++-=. (2)y '''=xe x ;解 12C e xe dx xe y x x x +-==''⎰,21122)2(C x C e xe dx C e xe y x x x x ++-=+-='⎰,3221213)22(C x C x C e xe dx C x C e xe y x x x x +++-=++-=⎰, 原方程的通解为32213C x C x C e xe y x x +++-=. (3)211x y +=''; 解 12arctan 11C x dx xy +=+='⎰x C dx x xx x dx C x y 1211arctan )(arctan ++-=+=⎰⎰212)1l n (21a r c t a n C x C x x x +++-=, 原方程的通解为2121ln arctan C x C x x x y +++-=.(4)y ''=1+y '2;解 令p =y ', 则原方程化为p '=1+p 2, 即dx dp p =+211, 两边积分得arctan p =x +C 1, 即y '=p =tan(x +C 1),211|)c o s (|ln )tan(C C x dx C x y ++-=+=⎰,原方程的通解为21|)c o s (|ln C C x y ++-=.(5)y ''=y '+x ;解 令p =y ', 则原方程化为p '-p =x ,由一阶线性非齐次方程的通解公式得1)()(111--=+=+⎰⋅⎰=⎰⎰--x e C C dx xe e C dx e x e p x x x dx dx , 即 y '=C 1e x-x -1,于是 221121)1(C x x e C dx x e C y x x +--=--=⎰, 原方程的通解为22121C x x e C y x +--=. (6)xy ''+y '=0;解 令p =y ', 则原方程化为x p '+p =0, 即01=+'p xp , 由一阶线性齐次方程的通解公式得x C e C e C p x dx x 1ln 111==⎰=--,即 xC y 1=', 于是 211ln C x C dx x C y +==⎰, 原方程的通解为y =C 1ln x +C 2 .(7)yy ''+'=y '2;解 令p =y ', 则dydp p dx dy dy dp y =⋅='', 原方程化为 21p d y d p yp =+, 即dy y dp p p 112=-, 两边积分得||ln ||ln |1|ln 2112C y p +=-, 即22121y C p ±-. 当|y '|=|p |>1时, 方程变为2211y C y +±=', 即dx dy y C ±=+21)(11,两边积分得arcsh(C 1y )=±C 1x +C 2,即原方程的通解为)(sh 1121x C C C y ±=. 当|y '|=|p |<1时, 方程变为2211y C y -±=', 即dx dy y C ±=-21)(11, 两边积分得arcsin(C 1y )=±C 1x +C 2,即原方程的通解为)(s i n 1121x C C C y ±=.(8)y 3y ''-1=0;解 令p =y ', 则dy dp p y ='', 原方程化为013=-d yd p py , 即pdp =y -3dy , 两边积分得 122212121C y p +-=-, 即p 2=-y -2+C 1, 故 21--±='y C y , 即dx dy y C ±=--211, 两边积分得)(12121C x C y C +±=-,即原方程的通解为 C 1y 2=(C 1x +C 2)2 .(9)y y 1='';解 令p =y ', 则dy dp py ='', 原方程化为 y dy dp p 1=, 即dy ypdp 1=, 两边积分得122221C y p +=, 即1244C y p +=, 故 12C y y +±=', 即dx dy C y ±=+11,两边积分得原方程的通211231]2)(32[C C y C C y x ++-+±=.(10)y ''=y '3+y '.解 令p =y ', 则dy dp py ='', 原方程化为 p p d y d p p +=3, 即0)]1([2=+-p dydp p . 由p =0得y =C , 这是原方程的一个解.由0)1(2=+-p dydp 得 arctan p =y -C 1, 即y '=p =tan(y -C 1), 从而 )s i n (ln )tan(1112C y dy C y C x -=-=+⎰, 故原方程的通解为12a r c s i n C e y C x +=+.2. 求下列各微分方程满足所给初始条件的特解:(1)y 3y ''+1=0, y |x =1=1, y '|x =1=0;解 令p =y ', 则dy dp p y ='', 原方程化为 013=+d y d p p y , 即dy ypdp 31-=, 两边积分得1221C y p +=, 即y y C y 211+±='. 由y |x =1=1, y '|x =1=0得C 1=-1, 从而y y y 21-±=', 分离变量得dx dy y y=-±21,两边积分得221C x y +=-±, 即22)(1C x y +-±=.由y |x =1=1得C 2=-1, 2)1(1--=x y , 从而原方程的通解为22x x y -=.(2)y ''-ay '2=0, y |x =0=0, y '|x =0=-1;解 令p =y ', 则原方程化为02=-ap dx dp , 即adx dp p =21,两边积分得11C ax p +=-, 即11C ax y +-='. 由y '|x =0=-1得C 1=1, 11+-='ax y , 两边积分得 2)1l n (1C ax ay ++-=. 由y |x =0=0得C 2=0, 故所求特解为)1ln(1+-=ax ay . (3)y '''=e ax, y |x =1=y '|x =1=y ''|x =1=0;解 11C e a dx e y ax ax +==''⎰. 由y ''|x =1=0得a e a C 11-=. 2211)11(C x e a e a dx e a e a y a ax a ax +-=-='⎰. 由y '|x =1=0得a a e a e a C 2211-=. dx e a e a x e a e a y a a a ax )1111(22⎰-+-= 322311211C x e ax e a x e a e a a a a ax +-+-=. 由y |x =1=0得a a a a e a e a e a e a C 32312111-+-=, 故所求特解为 322232)22()1(2aa a e a x a e a x e a e y a a a ax ----+-=. (4)y ''=e 2y , y |x =0=y '|x =0=0;解 令p =y ', 则dy dp py ='', 原方程化为 y e dydp p2=, 即pdp =e 2y dy , 积分得p 2=e 2y +C 1, 即12C e y y +±='. 由y |x =0=y '|x =0=0得C 1=-1, 故12-±='y e y , 从而d x d ye y ±=-112,积分得-arcsin e -y=±x +C 2.由y |x =0=0得22π-=C , 故 x x e y c o s )2s i n (=-=-π , 从而所求特解为y =-lncos x .(5)y y 3='', y |x =0=1, y '|x =0=2;解 令p =y ', 则dy dp py ='', 原方程化为 y d yd p p 3=, 即dy y pdp 3=, 两边积分得12322221C y p +=, 即1232C y y +±='. 由y |x =0=1, y '|x =0=2得C 1=0, 432y y =', 从而dx dy y 243=-, 两边积分得24124C x y +=, 即42)4121(C x y +=. 由y |x =0=1得C 2=4, 故原方程的特解为4)121(+=x y .(6)y ''+y '2=1, y |x =0=0, y '|x =0=0.解 令p =y ', 则dydp p y ='', 原方程化为 12=+p d y d p p , 即2222=+p dydp , 于是 1)2(211222+=+⎰⋅⎰=--⎰y dy dy e C C dy e e p ,即 121+±='-y e C y .由y |x =0=0, y '|x =0=0得C 1=-1, y e y 21--±='.故dx dy e y ±=--211,两边积分得 22)1l n (C x e e y y +±=-+.由y |x =0=0得C 2=0, x e e y y ±=-+)1ln(2,从而得原方程的特解y =lnch x .3. 试求y ''=x 的经过点M (0, 1)且在此点与直线121+=x y 相切的积分曲线. 解 1221C x y +=', 21361C x C x y ++=. 由题意得y |x =0=1, 21|0='=x y . 由21|0='=x y 得211=C , 再由y |x =0=1得C 2=1, 因此所求曲线为 121613++=x x y . 4. 设有一质量为m 的物体, 在空中由静止开始下落, 如果空气阻力为R =c 2v 2(其中c 为常数, v 为物体运动的速度), 试求物体下落的距离s 与时间t 的函数关系.解 以t =0对应的物体位置为原点, 垂直向下的直线为s 正轴, 建立坐标系. 由题设得⎪⎩⎪⎨⎧==-===0| |0022t t v s v c mg dt dv m .将方程分离变量得d t v c mg mdv =-22, 两边积分得1||ln C kt mg cv mgcv +=-+(其中m gc k 2=)由v |t =0=0得C 1=0, kt mg cv mgcv =-+||ln , 即kt e mg cv mgcv =-+.因为mg >c 2v 2, 故kt e cv mg mg cv )(-=+, 即 )1()1(kt kt e mg e cv -=+,或 ktkt e e c mg dt ds +-⋅-=11, 分离变量并积分得211ln C e e ck mgs ktkt +++-=-. 由s |t =0=0得C 2=0, 故所求函数关系为kt kt ee ck mgs ++-=-11ln , 即)(ch ln 2t m g c c m s =. 习题12-71. 下列函数组在其定义区间内哪些是线性无关的？(1)x , x 2;解 因为x xx =2不恒为常数, 所以x , x 2是线性无关的. (2)x , 2x ;解 因为22=xx , 所以x , 2x 是线性相关的. (3)e 2x , 3e 2x ;解 因为332=x x ee , 所以e 2x , 3e 2x 是线性相关的. (4)e -x ; e x ;解 因为x x x e ee 2=-不恒为常数, 所以e -x ; e x 是线性无关的. (5)cos2x , sin2x ;解 因为x x x 2tan 2cos 2sin =不恒为常数, 所以cos2x , sin2x 是线性无关的. (6) 2x e , 22x xe ;。
