常微分方程(第三版)答案.doc

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1、常微分方程习题答案2.11.,并求满足初始条件：x=0,y=1的特解. 解：对原式进行变量分离得并求满足初始条件：x=0,y=1的特解.解：对原式进行变量分离得：3 解：原式可化为： 12解1516解： ，这是齐次方程，令17. 解：原方程化为 令方程组则有令当当另外 19. 已知f(x).解：设f(x)=y, 则原方程化为 两边求导得20.求具有性质 x(t+s)=的函数x(t),已知x(0)存在。解：令t=s=0 x(0)= 若x(0)0 得x=-1矛盾。所以x(0)=0. x(t)=) 两边积分得arctg x(t)=x(0)t+c 所以x(t)=tgx(0)t+c 当t=0时 x(0)

2、=0 故c=0 所以x(t)=tgx(0)t习题2.2求下列方程的解1=解： y=e (e)=e-e()+c=c e- ()是原方程的解。2+3x=e解：原方程可化为：=-3x+e所以：x=e (e e) =e (e+c) =c e+e 是原方程的解。3=-s+解：s=e(e )=e()= e()= 是原方程的解。4 ， n为常数.解：原方程可化为： 是原方程的解.5+=解：原方程可化为：=- ()= 是原方程的解.6 解： =+令 则 =u因此：= （*） 将带入 （*）中 得：是原方程的解.13这是n=-1时的伯努利方程。两边同除以，令 P(x)= Q(x)=-1由一阶线性方程的求解公式

3、=14 两边同乘以 令 这是n=2时的伯努利方程。两边同除以 令 P（x）= Q(x)=由一阶线性方程的求解公式 = =15 这是n=3时的伯努利方程。两边同除以 令 = P(y)=-2y Q(y)= 由一阶线性方程的求解公式 =16 y=+P(x)=1 Q(x)= 由一阶线性方程的求解公式 = =c=1y=设函数(t)于t上连续，(0)存在且满足关系式(t+s)=(t)(s)试求此函数。令t=s=0 得(0+0)=(0)(0) 即(0)= 故或（1） 当时 即 ,) (2) 当时 = = =于是 变量分离得 积分 由于，即t=0时 1=c=1故 20.试证： （1）一阶非齐线性方程（2 .2

4、8）的任两解之差必为相应的齐线性方程（2.3）之解； （2）若是（2.3）的非零解，而是（2.28）的解，则方程（2.28）的通解可表为，其中为任意常数.（3）方程（2.3）任一解的常数倍或任两解之和（或差）仍是方程（2.3）的解.证明： （2.28） （2.3）设，是（2.28）的任意两个解则 （1） （2）（1）-（2）得 即是满足方程（2.3）所以，命题成立。由题意得： （3） （4）1）先证是（2.28）的一个解。于是 得故是（2.28）的一个解。2）现证方程（4）的任一解都可写成的形式设是(2.28)的一个解则 （4）于是 （4）-（4）得从而 即 所以，命题成立。设，是（2.3）的

5、任意两个解则 （5） （6）于是（5）得 即 其中为任意常数也就是满足方程（2.3）（5）（6）得 即 也就是满足方程（2.3）所以命题成立。21.试建立分别具有下列性质的曲线所满足的微分方程并求解。曲线上任一点的切线的纵截距等于切点横坐标的平方；曲线上任一点的切线的纵截距是切点横坐标和纵坐标的等差中项；解：设为曲线上的任一点，则过点曲线的切线方程为从而此切线与两坐标轴的交点坐标为即 横截距为 ， 纵截距为 。由题意得：（5） 方程变形为 于是 所以，方程的通解为。（6）方程变形为 于是 所以，方程的通解为。22求解下列方程。（1）解： = = = （2） P(x)= Q(x)=由一阶线性方程

6、的求解公式 = = =习题2.31、验证下列方程是恰当方程，并求出方程的解。1. 解： ，=1 .则所以此方程是恰当方程。凑微分，得 ：2 解： ， .则 .所以此方程为恰当方程。凑微分，得 3 解： 则 .因此此方程是恰当方程。 （1） （2）对（1）做的积分，则= （3）对（3）做的积分，则=则故此方程的通解为4、 解： ， . .则此方程为恰当方程。凑微分，得 ：5.(sin-cos+1)dx+( cos- sin+)dy=0解： M=sin-cos+1 N= cos- sin+=- sin-cos- cos+sin=- sin-cos- cos+sin所以，=，故原方程为恰当方程因为s

7、indx-cosdx+dx+ cosdy- sindy+dy=0d(-cos)+d (sin)+dx+d(-)=0所以，d(sin-cos+x -)=0故所求的解为sin-cos+x -=C求下列方程的解：62x(y-1)dx+dy=0解：= 2x , =2x所以，=，故原方程为恰当方程又2xydx-2xdx+dy=0所以，d(y-x)=0故所求的解为y-x=C7.(e+3y)dx+2xydy=0解：edx+3ydx+2xydy=0exdx+3xydx+2xydy=0所以，d e( x-2x+2)+d( xy)=0即d e( x-2x+2)+ xy=0故方程的解为e( x-2x+2)+ xy=

8、C8. 2xydx+( x+1)dy=0解：2xydx+ xdy+dy=0d( xy)+dy=0即d(xy+y)=0故方程的解为xy+y=C9、解：两边同除以 得即，故方程的通解为10、解：方程可化为：即， 故方程的通解为： 即：同时，y=0也是方程的解。11、解：方程可化为： 即：故方程的通解为：12、解：方程可化为：故方程的通解为 ： 即：13、解：这里 ， 方程有积分因子两边乘以得：方程是恰当方程故方程的通解为：即：14、解：这里因为故方程的通解为： 即：15、解：这里 方程有积分因子： 两边乘以得：方程为恰当方程故通解为 ：即：16、解：两边同乘以得：故方程的通解为：17、试导出方程具

9、有形为和的积分因子的充要条件。解：若方程具有为积分因子， （是连续可导）令 ， .， ， ， 方程有积分因子的充要条件是：是的函数，此时，积分因子为 . 令 ，此时的积分因子为18. 设及连续,试证方程为线性方程的充要条件是它有仅依赖于的积分因子.证:必要性 若该方程为线性方程,则有 ,此方程有积分因子,只与有关 .充分性 若该方程有只与有关的积分因子 .则为恰当方程 ,从而 , , .其中 .于是方程可化为即方程为一阶线性方程.20.设函数f(u)，g(u)连续、可微且f(u)g(u),，试证方程yf(xy)dx+xg(xy)dy=0有积分因子u=(xyf(xy)-g(xy)证：在方程yf(

10、xy)dx+xg(xy)dy=0两边同乘以u得：uyf(xy)dx+uxg(xy)dy=0则=uf+uy+yf=+-yf=而=ug+ux+xg=+- xg=故=，所以u是方程得一个积分因子21假设方程（2.43）中得函数M（x,y）N(x,y)满足关系=Nf(x)-Mg(y),其中f(x),g(y)分别为x和y得连续函数，试证方程（2.43）有积分因子u=exp(+)证明：M(x,y)dx+N(x,y)dy=0即证u+M=u+Nu(-)=N- Mu(-)=Nef(x)-M eg(y)u(-)=e(Nf(x)-Mg(y)由已知条件上式恒成立，故原命题得证。22、求出伯努利方程的积分因子.解：已知

11、伯努利方程为：两边同乘以，令，线性方程有积分因子：，故原方程的积分因子为：，证毕！23、设是方程的积分因子，从而求得可微函数，使得试证也是方程的积分因子的充要条件是其中是的可微函数。证明：若，则又即为的一个积分因子。24、设是方程的两个积分因子，且常数，求证（任意常数）是方程的通解。证明：因为是方程的积分因子所以 为恰当方程即 ，下面只需证的全微分沿方程恒为零事实上：即当时，是方程的解。证毕！习题 2.4求解下列方程1、解：令，则， 从而， 于是求得方程参数形式得通解为.2、解：令，则，即，从而 ，于是求得方程参数形式得通解为.3、解：令，则，从而 = ，于是求得方程参数形式的通解为,另外，y

12、=0也是方程的解.4、, 为常数解：令，则，从而 ，于是求得方程参数形式的通解为.5、1解：令，则，从而 ，于是求得方程参数形式的通解为.6、解：令，则，得，所以，从而，于是求得方程参数形式的通解为，因此方程的通解为.习题2.52 解：两边同除以，得：即4解：两边同除以，得 令 则 即得到，即另外也是方程的解。6 解： 得到 即 另外也是方程的解。8. 解：令 则： 即 得到 故 即 另外也是方程的解。10 解：令 即 而故两边积分得到 因此原方程的解为，。 12. 解： 令 则 即 故方程的解为 14 解： 令 则 那么 求得： 故方程的解为 或可写 为 16 解：令 则 即方程的解为18

13、解： 将方程变形后得 同除以得： 令 则 即原方程的解为19.X(解：方程可化为2y( 令27. 解： 令，则， ， 两边积分得 即为方程的通解。另外，即也是方程的解。28. 解： 两边同除以，方程可化为： 令，则 即 ，两边积分得 即 为方程的解。29. 解： 令，则 ， ，那么 即 两边积分得 即为方程的解。30. 解： 方程可化为 两边积分得 即 为方程的解。31. 解： 方程可化为 两边同除以，得 即 令，则 即 两边积分得 将代入得， 即 故 32. 解： 方程可化为 两边同加上，得 （*）再由，可知 （*）将（*）/（*）得 即 整理得 两边积分得 即 另外，也是方程的解。求一曲线

14、，使其切线在纵轴上之截距等于切点的横坐标。解： 设为所求曲线上的任一点，则在点的切线在轴上的截距为： 由题意得 即 也即 两边同除以，得 即 即 为方程的解。摩托艇以5米/秒的速度在静水运动，全速时停止了发动机，过了20秒钟后，艇的速度减至米/秒。确定发动机停止2分钟后艇的速度。假定水的阻力与艇的运动速度成正比例。解：，又，由此 即 其中，解之得 又时，；时，。故得 ，从而方程可化为 当时，有 米/秒即为所求的确定发动机停止2分钟后艇的速度。35. 一质量为m的质点作直线运动，从速度等于零的时刻起，有一个和时间成正比（比例系数为k1）的力作用在它上面，此质点又受到介质的阻力，这阻力和速度成正比

15、（比例系数为k2）。试求此质点的速度与时间的关系。解：由物理知识得：根据题意：故：即：(*)式为一阶非齐线性方程，根据其求解公式有又当t=0时，V=0，故c=因此，此质点的速度与时间的关系为：36. 解下列的黎卡提方程（1）解：原方程可转化为：观察得到它的一个特解为：，设它的任意一个解为，代入（*）式得到：由（*）-（*）得：变量分离得：两边同时积分：即：故原方程的解为 （2）解：原方程可化为：由观察得，它的一个特解为，设它的任意一个解为，故变量分离再两边同时积分得：即故原方程的解为（3）解：原方程可化为：由观察得到，它的一个特解为，设它的任一个解为，故，该式是一个的伯努利方程两边同除以得到：

16、即：，令，则：，根据一阶非齐线性方程的求解公式得：故：因此：原方程的解为：（4）解：原方程可化为：由观察得到，它的一个特解为，设它的任一个解为，于是，这是的伯努利方程两边同除以得到：即：则：即：故：原方程的解为：（5）解：原方程可化为：由观察得，它的一个特解为，故设它的任一个解为，于是，这是的伯努利方程两边同除以得到：即：则：故：原方程的解为：，即.（6）解：原方程可化为：由观察得到它的一个特解为，设它的任一个解为，于是，这是的伯努利方程两边同除以得到：即：则：从而：故原方程的解为：即：（7）解：由观察得到它的一个特解为，故设它的任一个解为，于是，这是n=2的佰努利方程，两边同除以得：即：从而

17、：故原方程的解为：习题3.1 1 求方程=x+y通过点(0,0)的第三次近似解； 解： 取 = 2 求方程=x-y通过点(1,0)的第三次近似解； 解： 令 则 = 3 题 求初值问题： R：1，1的解的存在区间，并求解第二次近似解，给出在解的存在空间的误差估计；解： 因为 M=max=4 则h=min(a,)= 则解的存在区间为= 令 =0 ;=y+dx=x+; =y+dx=x-+ 又 =L则：误差估计为：=4 题 讨论方程：在怎样的区域中满足解的存在唯一性定理的条件，并求通过点（0，0）的一切解；解：因为=在y上存在且连续； 而在上连续由 有：=（x+c）又 因为y(0)=0 所以：=x另

18、外 y=0也是方程的解；故 方程的解为：=或 y=0;6题 证明格朗瓦耳不等式： 设K为非负整数，f(t)和g(t)为区间上的连续非负函数，且满足不等式： f(t)k+, 则有：f(t)kexp(),证明：令R（t）=,则(T)=f(t)g(t) (T)-R(t)g(t)= f(t)g(t)- R(t)g(t) kg(t)(T)- R(t)g(t)kg(t); 两边同乘以exp(-) 则有： (T) exp(-)-R(t)g(t) exp(-) kg(t) exp(-)两边从到t积分：R(t) exp(-)-exp(-)ds即 R(t) exp(-)ds又 f(t) 1k+R(t) k+kex

19、p(-)ds k(1-1+ exp(-)=k exp()即 f(t) k;7题 假设函数f(x,y)于（x,y）的领域内是y的 不增函数，试证方程= f(x,y)满足条件y(x)= y的解于x x一侧最多只有一个解；证明：假设满足条件y(x)= y的解于x x一侧有两个(x),(x) 则满足： (x)= y+dx (x)= y+dx不妨假设(x)(x)，则(x)- (x)0而(x)- (x)= dx-dx =dx又因为 f(x,y)在（x,y）的领域内是y的 增函数，则： f(x, (x)-f(x, (x)0则(x)- (x)= dx0则(x)- (x)0所以 (x)- (x)=0， 即 (x

20、)= (x)则原命题方程满足条件y(x)= y的解于x x一侧最多只有一个解；习题3.31Proof若（1）成立则及，使当 时，初值问题 的解满足对一切有, 由解关于初值的对称性，（3，1）的两个解及都过点，由解的存在唯一性，当时故若（2）成立，取定，则，使当 时,对一切有因初值问题的解为，由解对初值的连续依赖性，对以上，使当时对一切有而当时，因故这样证明了对一切有2Proof：因及都在G内连续，从而在G内关于满足局部Lipschitz条件，因此解在它的存在范围内关于是连续的。设由初值和足够小）所确定的方程解分别为，即，于是 因及、连续，因此这里具有性质：当时，；且当时，因此对有即是初值问题的

21、解，在这里看成参数0显然，当时，上述初值问题仍然有解。根据解对初值和参数的连续性定理，知是的连续函数，从而存在而是初值问题的解，不难求解 它显然是的连续函数。3解：这里满足解对初值的可微性定理条件故： 满足的解为 故 4解：这是在（1，0）某领域内满足解对初值可微性定理条件，由公式易见是原方程满足初始条件的解 故习题 3.4(一)、解下列方程，并求奇解（如果存在的话）：1、解：令，则，两边对x求导，得 从得 时，；从得 ，为参数，为任意常数.经检验得，是方程奇解.2、解：令，则，两边对x求导，得 ，解之得 ，所以，且y=x+1也是方程的解，但不是奇解.3、解：这是克莱洛方程，因此它的通解为，从

22、 中消去c,得到奇解.4、解：这是克莱洛方程，因此它的通解为 ，从 中消去c,得到奇解 .5、解：令，则，两边对x求导，得 ，解之得 ，所以 ，可知此方程没有奇解.6、解：原方程可化为，这是克莱罗方程，因此其通解为，从 中消去c，得奇解.7、解：令，则，两边对x求导，得 ，所以 ，可知此方程没有奇解.8、解：可知此方程没有奇解.9、解：令，则，两边对x求导，得 解之得 ，所以 ，且 也是方程的解，但不是方程的奇解.10、解：这是克莱罗方程，因此方程的通解为，从中消去c,得方程的奇解.（二）求下列曲线族的包络.1、解:对c求导，得 x+2c=0, , 代入原方程得， 经检验得，是原方程的包络.2

23、、解：对c求导，得 ，代入原方程得 ，即，经检验得是原方程的包络.3、解：对c求导，得 2(x-c)-2(y-c)=0, ,代入原方程得.经检验,得 是原方程的包络.4、解：对c求导，得 -2(x-c)=4, c=x+2,代入原方程得 ，,经检验，得是原方程的包络.(三) 求一曲线，使它上面的每一点的切线截割坐标轴使两截距之和等于常数c.解：设所求曲线方程为y=y(x),以X、Y表坐标系，则曲线上任一点（x,y(x)）的切线方程为，它与X轴、Y轴的截距分别为，按条件有 ，化简得，这是克莱洛方程，它的通解为一族直线，它的包络是，消去c后得我们所求的曲线.(四) 试证：就克莱洛方程来说，p-判别曲

24、线和方程通解的c-判别曲线同样是方程通解的包络，从而为方程的奇解.证：克莱洛方程 y=xp+f(p)的p-判别曲线就是用p-消去法，从 中消去p后而得的曲线； c-判别曲线就是用c-消去法，从通解及它对求导的所得的方程中消去c而得的曲线，显然它们的结果是一致的，是一单因式，因此p-判别曲线是通解的包络，也是方程的通解. 习题4.1 1.设和是区间上的连续函数，证明：如果在区间上有常数或常数，则和在区间上线形无关。证明：假设在，在区间上线形相关则存在不全为零的常数，使得那么不妨设不为零，则有显然为常数，与题矛盾，即假设不成立，在区间上线形无关2.证明非齐线形方程的叠加原理：设，分别是非齐线形方程

25、 （1） （2） 的解，则+是方程 +的解。证明：由题可知，分别是方程（1），（2）的解则： （3） （4）那么由（3）+（4）得：+即+是方程是+的解。试验证0的基本解组为，并求方程的通解。 证明：由题将代入方程0得：-=0,即是该方程的解，同理求得也是该方程的解又显然线形无关，故是0的基本解组。 由题可设所求通解为：，则有：解之得：故所求通解为：试验证0有基本解组t，并求方程t-1的通解。解：由题将t代入方程0得： ，即t为该方程的解 同理也是该方程的解，又显然t，线形无关， 故t，是方程0的基本解组由题可设所求通解为，则有：解之得：故所求通解为以知方程0的基本解组为，求此方程适合初始条件

26、的基本解组（称为标准基本解组，即有）并求出方程的适合初始条件的解。 解：时间方程0的基本解组，故存在常数使得： 于是：令t=0,则有方程适合初始条件，于是有：解得： 故又该方程适合初始条件，于是：解得： 故显然，线形无关，所以此方程适合初始条件的基本解组为：， 而此方程同时满足初始条件，于是：解得：故满足要求的解。设是齐线形方程（4.2）的任意n个解。它们所构成的伏朗斯行列式记为，试证明满足一阶线形方程，因而有： 解：又满足即则：即 则有：即： 假设是二阶齐线形方程（*）的解，这里 在区间上连续，试证：（1）是方程的解的充要条件为：；（2）方程的通解可以表示为：,其中为常数,证：（）（）因为为

27、方程的解，则由刘维尔公式 两边都乘以则有：，于是： 从而方程的通解可表示为：,其中为常数,。试证n阶非齐线形微分方程（4.1）存在且最多存在n+1个线形无关解。 证：设为（4.1）对应的齐线形方程的一个基本解组，是（4.1）的一个解，则： （1），均为（4.1）的解。同时（1）是线形无关的。 事实上：假设存在常数，使得： （*）的左端为非齐线形方程的解，而右端为齐线形方程的解，矛盾！从而有又为（4.1）对应的齐线形方程的一个基本解组，故有： 即（1）是线形无关的。习题4.2 解下列方程（1） 解：特征方程故通解为x=(2)解：特征方程有三重根故通解为x=（3）解：特征方程有三重根，2，-2故通

28、解为（4） 解：特征方程有复数根-1+3i,-1-3i 故通解为(5) 解：特征方程有复数根故通解为(6) 解：特征方程有根a,-a当时，齐线性方程的通解为s=代入原方程解得故通解为s=-当a=0时,代入原方程解得故通解为s=-(7) 解：特征方程有根2,两重根1齐线性方程的通解为x=又因为0不是特征根，故可以取特解行如代入原方程解得A=-4，B=-1故通解为x=-4-t(8) 解：特征方程故齐线性方程的通解为x=取特解行如代入原方程解得A=1，B=0,C=1故通解为x=+(9)解：特征方程有复数根故齐线性方程的通解为取特解行如代入原方程解得A=故通解为(10) 解：特征方程有根-2,1故齐线

29、性方程的通解为x=因为+-2i不是特征根取特解行如代入原方程解得A=故通解为x=（11）解：特征方程有复数根故齐线性方程的通解为 1是特征方程的根，故代入原方程解得A=故通解为+（12）解：特征方程有2重根-a当a=-1时，齐线性方程的通解为s=,1是特征方程的2重根，故代入原方程解得A=通解为s=,当a-1时，齐线性方程的通解为s=,1不是特征方程的根，故代入原方程解得A=故通解为s=+（13）解：特征方程有根-1,-5故齐线性方程的通解为x=2不是特征方程的根，故代入原方程解得A=故通解为x=+（14）解：特征方程有根-1+i,-1-i故齐线性方程的通解为不是特征方程的根, 取特解行如代入

30、原方程解得A=故通解为+(15) 解：特征方程有根i,- i故齐线性方程的通解为,i,是方程的解 代入原方程解得A= B=0 故 代入原方程解得A= B=0 故故通解为习题5.11.给定方程组x=x x= （*） a)试验证u(t)=,v(t)=分别是方程组（*）的满足初始条件u(0)=, v(0)=的解. b)试验证w(t)cu(t)+cv(t)是方程组（*）的满足初始条件w(0)=的解，其中是任意常数. 解：a) u(0)= u(t)=u(t) 又 v(0)= v(t)= =v(t)因此 u(t),v(t)分别是给定初值问题的解.b) w(0)=u(0)+u(0)= += w(t)= u(

31、t)+ v(t) = + = = =w(t)因此 w(t)是给定方程初值问题的解.2. 将下面的初值问题化为与之等价的一阶方程组的初值问题：a) x+2x+7tx=e,x(1)=7, x(1)=-2b) x+x=te,x(0)=1, x(0)=-1,x(0)=2,x(0)=0c) x(0)=1, x(0)=0,y(0)=0,y(0)=1解：a）令 xx, x= x, 得 即 又 xx(1)=7 x(1)= x(1)=-2于是把原初值问题化成了与之等价的一阶方程的初值问题：x x(1)其中 x. b) 令x 则得： 且 (0)=x(0)=1, =(0)=-1, (0)= (0)=2, (0)=

32、(0)=0于是把原初值问题化成了与之等价的一阶方程的初值问题：= x(0)=, 其中 x=.c) 令wx， w，wy，wy，则原初值问题可化为： 且 即 w w(0)= 其中 w3. 试用逐步逼近法求方程组 x x 满足初始条件 x(0)= 的第三次近似解. 解： 习题5.20241202 02412031.试验证=是方程组x=x,x= ，在任何不包含原点的区间a上的基解矩阵。解：令的第一列为(t)= ,这时(t)= (t)故(t)是一个解。同样如果以(t)表示第二列，我们有(t)= (t)这样(t)也是一个解。因此是解矩阵。又因为det=-t故是基解矩阵。2.考虑方程组x=A(t)x (5.15)其中A(t)是区间a上的连续nn矩阵，它的元素为a(t),i ,j=1,2,n如果x(t),x(t),x(t)是(5.15)的任意n个解，那么它们的伏朗斯基行列式Wx(t),x(t),x(t)W(t)满足下面的一阶线性微分方程W=a(t)+a(t)+a(t)W解上面的一阶线性微分方程，证明下面公式：W(t)=W(t)e t,ta,b解：w(t)=+=+=+整理后原式变为（a+a）=（a+a）w(t)=（a(t)+a(t)）w(t)b)由于w(t)= a(t)+