求微分方程 $\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x}$ $=$ $\frac{2xy – y^{2}}{x^{2} – 2xy}$ 满足指定条件的特解

一、题目题目 - 荒原之梦

求微分方程 $\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x}$ $=$ $\frac{2xy – y^{2}}{x^{2} – 2xy}$ 满足 $y(1)$ $=$ $-2$ 的特解。

难度评级:

graph TB
	A(判断方程类型) --> B(一阶齐次) --> C(构造出 y/x) --> D(代入条件求出待定常数) --> E(写出特解)

二、解析 解析 - 荒原之梦

观察知,这是一个一阶齐次微分方程。

又:

$$
\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x} = \frac{2xy – y^{2}}{x^{2} – 2xy} \Rightarrow
$$

$$
\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x} = \frac{\frac{2y}{x} – (\frac{y}{x})^{2}}{1 – \frac{2y}{x}} \Rightarrow
$$

Next - 荒原之梦 Next Next - 荒原之梦

令 $u(x)$ $=$ $u$ $=$ $\frac{y}{x}$ $\Rightarrow$

$$
\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x} = \frac{2u – u^{2}}{1 – 2u} \Rightarrow
$$

Next - 荒原之梦 Next Next - 荒原之梦

又 $u$ $=$ $\frac{y}{x}$ $\Rightarrow$ $y$ $=$ $ux$ $\Rightarrow$ $y^{\prime}$ $=$ $\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x}$ $=$ $u^{\prime} x$ $+$ $u$ $=$ $x \frac{\mathrm{d} u}{\mathrm{d} x}$ $+$ $u$ $\Rightarrow$

$$
x \frac{\mathrm{d} u}{\mathrm{d} x} + u = \frac{2u – u^{2}}{1 – 2u} \Rightarrow
$$

$$
x \frac{\mathrm{d} u}{\mathrm{d} x} = \frac{2u – u^{2}}{1 – 2u} – u \Rightarrow
$$

$$
x \frac{\mathrm{d} u}{\mathrm{d} x} = \frac{2u – u^{2}}{1 – 2u} – \frac{u(1 – 2u)}{1 – 2u} \Rightarrow
$$

$$
x \frac{\mathrm{d} u}{\mathrm{d} x} = \frac{2u – u^{2}}{1 – 2u} – \frac{u – 2u^{2}}{1 – 2u} \Rightarrow
$$

Next - 荒原之梦 Next Next - 荒原之梦

$$
x \frac{\mathrm{d} u}{\mathrm{d} x} = \frac{2u – u^{2} – u + 2u^{2}}{1 – 2u} \Rightarrow
$$

$$
x \frac{\mathrm{d} u}{\mathrm{d} x} = \frac{u + u^{2}}{1 – 2u} \Rightarrow
$$

$$
\mathrm{d} u = \frac{u + u^{2}}{1 – 2u} \cdot \frac{\mathrm{d} x}{x} \Rightarrow
$$

$$
\frac{1 – 2u}{u + u^{2}} \mathrm{d} u = \frac{\mathrm{d} x}{x} \Rightarrow
$$

$$
\int \frac{1 – 2u}{u + u^{2}} \mathrm{d} u = \int \frac{\mathrm{d} x}{x} \Rightarrow
$$

$$
\int \frac{1 – 2u}{u + u^{2}} \mathrm{d} u = \ln |x| + C \Rightarrow
$$

上面的 $\ln |x|$ $+$ $C$ 也可以写成 $\ln |x|$ $+$ $\ln C_{1}$ $=$ $\ln |C_{1} x|$——只要能表示任意常数即可。

Next - 荒原之梦 Next Next - 荒原之梦

$$
\int \frac{1}{u + u^{2}} \mathrm{d} u – \int \frac{2u}{u + u^{2}} \mathrm{d} u = \ln |x| + C \Rightarrow
$$

$$
\int \frac{1}{u(1 + u)} \mathrm{d} u – 2 \int \frac{1}{1 + u} \mathrm{d} u = \ln |x| + C \Rightarrow
$$

$$
\int \frac{1}{u(1 + u)} \mathrm{d} u – 2 \ln |1 + u| = \ln |x| + C \Rightarrow
$$

$$
\int \big( \frac{1}{u} – \frac{1}{1+u} \big) \mathrm{d} u – 2 \ln |1 + u| = \ln |x| + C \Rightarrow
$$

Next - 荒原之梦 Next Next - 荒原之梦

$$
\ln|u| – \ln |1+u| – 2 \ln |1 + u| = \ln |x| + C \Rightarrow
$$

$$
\ln|u| – 3 \ln |1+u| = \ln |x| + C \Rightarrow
$$

$$
\ln|u| – \ln |(1+u)^{3}| = \ln |x| + C \Rightarrow
$$

$$
\ln \Big|\frac{u}{(1+u)^{3}} \Big| = \ln |x| + C \Rightarrow
$$

Next - 荒原之梦 Next Next - 荒原之梦

$$
\ln \Big|\frac{u}{(1+u)^{3}} \Big| = \ln |x| + \ln |C_{1}| \Rightarrow
$$

$$
\ln \Big|\frac{u}{(1+u)^{3}} \Big| = \ln |C_{1} x| \Rightarrow
$$

$$
\frac{u}{(1+u)^{3}} = C_{1} x \Rightarrow
$$

Next - 荒原之梦 Next Next - 荒原之梦

$$
\frac{\frac{y}{x}}{(1 + \frac{y}{x})^{3}} = C_{1} x \Rightarrow
$$

$$
\frac{\frac{y}{x}}{(\frac{x + y}{x})^{3}} = C_{1} x \Rightarrow
$$

$$
\frac{y}{x} \cdot \frac{x^{3}}{(x + y)^{3}} = C_{1} x \Rightarrow
$$

$$
\frac{y x^{2}}{(x + y)^{3}} = C_{1} x.
$$

Next - 荒原之梦 Next Next - 荒原之梦

又因为,当 $x$ $=$ $1$ 的时候,$y$ $=$ $-2$, 所以:

$$
\frac{y x^{2}}{(x + y)^{3}} = C_{1} x \Rightarrow
$$

$$
\frac{-2}{(-1)^{3}} = C_{1} \Rightarrow
$$

$$
C_{1} = 2.
$$

Next - 荒原之梦 Next Next - 荒原之梦

综上可知,微分方程 $\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x}$ $=$ $\frac{2xy – y^{2}}{x^{2} – 2xy}$ 满足 $y(1)$ $=$ $-2$ 的特解是:

$$
\frac{y x^{2}}{(x + y)^{3}} = 2 x \Rightarrow
$$

$$
\frac{y x}{(x + y)^{3}} = 2 \Rightarrow
$$

$$
xy = 2 (x + y)^{3}.
$$


荒原之梦考研数学思维导图
荒原之梦考研数学思维导图

高等数学箭头 - 荒原之梦

涵盖高等数学基础概念、解题技巧等内容,图文并茂,计算过程清晰严谨。

线性代数箭头 - 荒原之梦

以独特的视角解析线性代数,让繁复的知识变得直观明了。

特别专题箭头 - 荒原之梦

通过专题的形式对数学知识结构做必要的补充,使所学知识更加连贯坚实。

荒原之梦考研数学网 | 让考场上没有难做的数学题!

荒原之梦网全部内容均为原创,提供了涵盖考研数学基础知识、考研数学真题、考研数学练习题和计算机科学等方面,大量精心研发的学习资源。

豫 ICP 备 17023611 号-1 | 公网安备 - 荒原之梦 豫公网安备 41142502000132 号 | SiteMap
Copyright © 2017-2024 ZhaoKaifeng.com 版权所有 All Rights Reserved.

Copyright © 2024   zhaokaifeng.com   All Rights Reserved.
豫ICP备17023611号-1
 豫公网安备41142502000132号

荒原之梦 自豪地采用WordPress