常微分方程第三版课后习题答案(1).pdf

1、1常微分方程第三版课后习题答案常微分方程第三版课后习题答案常微分方程习题常微分方程习题 22.111.,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：231 2 解41 5 1 6 解：5，这是齐次方程，令1 7.解：原方程化为令方程组则有令当当另外61 9.已知 f(x).解：设 f(x)=y,则原方程化为两边求导得72 0.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

2、得 a r c t gx(t)=x (0)t+c所以x(t)=t g x (0)t+c 当 t=0时x(0)=0 故 c=0所以x(t)=t g x (0)t 习题 2.2求下列方程的解1=解：y=e(e)=e-e()+c=ce-()是原方程的解。2+3 x=e解：原方程可化为：=-3 x+e所以：x=e(e e)=e(e+c)=ce+e是原方程的解。3=-s+解：s=e(e)=e()8=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：=（*）9将带入（*）中得：是原方程的解.1 01 11 3这是

3、n=-1时的伯努利方程。两边同除以，令P(x)=Q(x)=-11 2由一阶线性方程的求解公式=1 4两边同乘以令这是 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=1 31 5这是 n=3时的伯努利方程。两边同除以令=P(y)=-2 yQ(y)=由一阶线性方程的求解公式=1 6 y=+P(x)=1Q(x)=由一阶线性方程的求解公式1 4=c=1y=1 7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=

4、c=1故2 0.试证：（1）一阶非齐线性方程（2.2 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（2.2 8）的解，则方程（2.2 8）的通解可表为，其中 为任意常数.1 5（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：（2.2 8）（2.3）（1）设，是（2.2 8）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。（2）由题意得：（3）（4）1）先证是（2.2 8）的一个解。于是得故是（2.2 8）的一个解。2）现证方程（4）的任一解都可写成的形式设是(2.2 8)的一个解1 6

5、则（4 ）于是（4 ）-（4）得从而即所以，命题成立。（3）设，是（2.3）的任意两个解则（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。2 1.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。（5）曲线上任一点的切线的纵截距等于切点横坐标的平方；（6）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1 7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1 8所以，方程的通解为。2 2

6、求解下列方程。（1）解：=（2）P(x)=Q(x)=由一阶线性方程的求解公式=1 9=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：2 0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：，.2 1.则此方程为恰当方程。凑微分，得：5.(s i n-c o s+1)d x+(c o s-s i n+)d y=0解：M=s i n-c o s+1N=c o s-s i n+=-s i n-c o s-c o s+

7、s i n=-s i n-c o s-c o s+s i n所以，=，故原方程为恰当方程因为s i n d x-c o s d x+d x+c o s d y-s i n d y+d y=0d(-c o s)+d(s i n)+d x+d(-)=0所以，d(s i n-c o s+x-)=0故所求的解为 s i n-c o s+x-=C求下列方程的解：6 2 x(y-1)d x+d y=0解：=2 x,=2 x2 2所以，=，故原方程为恰当方程又 2 x y d x-2 x d x+d y=0所以，d(y-x)=0故所求的解为 y-x=C7.(e+3 y)d x+2 x y d y=0解：ed

8、 x+3 yd x+2 x y d y=0exd x+3 xyd x+2 xy d y=0所以，de(x-2 x+2)+d(xy)=0即 d e(x-2 x+2)+xy=0故方程的解为 e(x-2 x+2)+xy=C8.2 x y d x+(x+1)d y=0解：2 x y d x+xd y+d y=0d(xy)+d y=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1 0、2 3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。1 1、解：方程可化为：即：故方程的通解为：1 2、解：方程可化为：故方程的通解为：即：1 3、解：这里，方

9、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：2 4即：1 4、解：这里因为故方程的通解为：即：1 5、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：1 6、解：两边同乘以得：故方程的通解为：1 7、试导出方程具有形为和的积分因子的充要条件。2 5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，2 6此时的积分因子为1 8.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

10、,.其中.于是方程可化为即方程为一阶线性方程.2 0.设函数 f(u)，g(u)连续、可微且 f(u)g(u),，试证方程 y f(x y)d x+x g(x y)d y=0有积分因子 u=(x y f(x y)-g(x y)证：在方程 y f(x y)d x+x g(x y)d y=0两边同乘以 u得：u y f(x y)d x+u x g(x y)d y=0则=u f+u y+y f=+-y f2 7=而=u g+u x+x g=+-x g=故=，所以 u是方程得一个积分因子2 1 假设方程（2.4 3）中得函数 M（x,y）N(x,y)满足关系=N f(x)-Mg(y),其中 f(x),

11、g(y)分别为 x 和 y 得连续函数，试证方程（2.4 3）有积分因子 u=e x p(+)证明：M(x,y)d x+N(x,y)d y=0即证u+M=u+Nu(-)=N-Mu(-)=N ef(x)-Meg(y)u(-)=e(N f(x)-Mg(y)由已知条件上式恒成立，故原命题得证。2 2、求出伯努利方程的积分因子.解：已知伯努利方程为：两边同乘以，令，2 8线性方程有积分因子：，故原方程的积分因子为：，证毕！2 3、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。2 4、设是方程的两个积分因子，且常数，求证

12、（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：2 9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3 0，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=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、13 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3

13、24 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3 3则：即得到故即另外也是方程的解。1 0 解：令即而故两边积分得到因此原方程的解为，。1 2.解：令则即故方程的解为3 41 4 解：令则那么求得：故方程的解为或可写为1 6 解：令则即方程的解为1 8 解：将方程变形后得同除以得：3 5令则即原方程的解为1 9.X(解：方程可化为 2 y(令3 63 72 7.解：令，则，两边积分得即为方程的通解。另外，即也是方程的解。2 8.解：两边同除以，方程可化为：令，则3 8即，两边积分得即为方程的解。2 9.解：令，则，那么即两边积分得即为方程的解

14、。3 0.解：方程可化为两边积分得即为方程的解。3 1.解：方程可化为3 9两边同除以，得即令，则即两边积分得将代入得，即故3 2.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4 0另外，也是方程的解。3 3.求一曲线，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。3 4.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 2 0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

15、中，解之得又时，；时，。故得，从而方程可化为4 1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。3 5.一质量为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（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：3 6.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：4 2由（*）-（*）得：变量

16、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：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 3（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：

17、故：原方程的解为：，即.（6）解：原方程可化为：4 4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：故原方程的解为：习题 3.14 51 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=ma x =4 则 h=mi n(a,)=则解的存在区间为=令=

18、0;=y+d x=x+;4 6=y+d x=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另外 y=0也是方程的解；故方程的解为：=4 7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)k e x p(),证明：令 R（t）=,则(T)=f(t)g(t)(T)-R(t)g(t)=f(t)g(t)-R(t)g(t)k g(t)(T)-R(t)g(

19、t)k g(t);两边同乘以 e x p(-)则有：(T)e x p(-)-R(t)g(t)e x p(-)k g(t)e x p(-)两边从到 t 积分：R(t)e x p(-)-e x p(-)d s即R(t)e x p(-)d s4 8又 f(t)1 k+R(t)k+ke x p(-)d sk(1-1+e x p(-)=ke x p()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+d

20、x(x)=y+d x不妨假设(x)(x)，则(x)-(x)0而(x)-(x)=d x-d x=d x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)=d x 0则(x)-(x)0所以(x)-(x)=0，即(x)=(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；4 9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

21、解.5 03、解：这是克莱洛方程，因此它的通解为，从中消去 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，5 1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5 2解之得，所以，且也是方程的解，但不是方程的奇解.1 0、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

22、+2 c=0,代入原方程得，经检验得，是原方程的包络.2、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)=0,5 3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

23、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=x p+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5 4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 4.11.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

24、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（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）5 5那么由（3）+（4）得：+即+是方程是+的解。3.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：4.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，

25、是方程0的基本解组5 6由题可设所求通解为，则有：解之得：故所求通解为5.以 知 方 程0的 基 本 解 组 为，求 此 方 程 适 合 初 始 条 件的基本解组（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。5 76.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：

26、7.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：5 8；（2）方 程 的 通 解 可 以 表 示 为：,其中为常数,证：（）（）因为为方程的解，则由刘维尔公式两边都乘以则有：，于是：5 9从而方程的通解可表示为：,其中为常数,。8.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

27、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。6 0习题 4.21.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故通解为（4）解：特征方程有复数根-1+3 i,-1-3 i故通解为(5)解：特征方程有复数根故通解为(6)6 1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=-

28、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6 2(1 0)解：特征方程有根-2,1故齐线性方程的通解为 x=因为+-2 i 不是特征根取特解行如代入原方程解得 A=故通解为 x=（1 1）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+（1 2）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=+（1 3）6 3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=+（1 4）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,取特解行如代入原方程解得 A=故通解为+(1 5)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