高等数学第12章课后习题答案(科学出版社)

y?Cx?C1?2, 2xx11?C1,由此得y??及y(1)??C1, 222因为x?0时,y有界,得C2?0,故y?1x1又由已知条件y(1)?2y?(1),得C1?,从而所求特解为y??.

2224、求满足下列条件的可微函数 y?f(x).

(1) ?(4t?5)f(t)dt?3(x?2)?f(t)dt;(2) f(0)?1.

11xx答案4、f(x)?(x?1)

5 设有一均匀、柔软的而无伸缩性的绳索,两端固定,绳索仅受重力的作用而下垂. 求绳索曲

线在平衡状态时的方程.

解 设绳索的最低点为A.取y轴通过点A铅直向上,并取x轴水平向右,且|OA|等于某个定值(这个定值将在以后说明).设绳索曲线的方程为y?y(x).考察绳索上点A到另一点M(x,y)间的一段弧AM,设其长为s.假定绳索的线密度为?,则弧AM的重量为?gs.由于绳索是柔软的,因而在点A处的张力沿水平的切线方向,其大小设为H;在点M处的张力沿该点处的切线方向,设其倾角为?,其大小为T(如图).

2

因作用于弧段AM的外力相互平衡,把作用于弧段AM上的力沿铅直及水平两方向解得

Tsin???gs,Tcos??H.

??两式相除得 tan由于tan??y?,s??代入上式即得 y??x1sa?H???a???. ?g??01?y?2dx,

1x2?1?ydx. ?0a将上式两端对x求导,便得y?y(x)满足得微分方程 y???11?y?2. (1) ax?0取原点O到点A的距离为定值a,即|OA|?a,则初始条件为y对方程(1),设y??p,则y?????a,y?x?0?0.

dp,代入并分离变量得: dx?dxx arshp??C1. aadp1?p2由y?x?0?0得C1?0 arshp?将条件yx?0xxx. 即y??sh y?ach?C2. aaa?a代入上式,得 C2?0.

xx??xa?于是该绳索的曲线方程为 y?ach??ea?ea?. 这曲线叫做悬链线.

?a2???

习题12-6

1.下列函数组在其定义域内哪些是线性相关的,哪些是线性无关的?

axbx(1)3sin2x,1?cos2x; (2)e,e;

(3)cos2x,sin2x; (4)lnx,xlnx.

答案: (1) 线性相关(2) 线性无关(3) 线性无关(4) 线性无关

2. (1)验证y1?cos?x及y2?sin?x都是方程y''??2y?0的解. 并写出方程的通解;

1(2)验证y?c1cos3x?c2sin3x?(4xcosx?sinx),(c1,c2是任意常数) 是方程

32y''?9y?xcosx的通解.

3. 已知y1?xex?e2x,y2?xex?e?x,y3?xex?e2x?e?x是某二阶非齐次线性微分方程的三个特解:

(1)求此方程的通解; (2)写出此微分方程;

(3)求此微分方程满足y(0)?7,y?(0)?6的特解.

解 (1) 由题设知, e2x?y3?y2,e?x?y1?y2是相应齐次线方程的两个线性无关的解,且

y1?xex?e2x,是非齐次线性方程的一个特解,故所求方程的通解为

y?xex?e2x?C0e2x?C2e?x?xex?C1e2x?C2e?x,其中C1?1?C0.

(2) 因y?xex?C1e2x?C2e?x ① 所以y??ex?xex?2C1e2x?C2e?x② y???2ex?xex?4C1e2x?C2e?x

从这两个式子中消去C1,C2,即所求方程为y???y??2y?ex?2xex; (3) 在①, ②代入初始条件y(0)?7,y?(0)?6,得 C1?C2?7,2C1?C2?1?6?C1?4,C2?3,

从而所求特解为 y?4e2x?3e?x?xex.

d2y2dysinx4. 已知y1?是方程2??y?0的一个解, 试求方程的通解.

xdxxdx解 作变换y?y1zdx,则有

dy1d2y1d2ydzdy1dy?y1?2z?zdx. ?y1z?zdx,dxdxdxdxdx2dx2???代入题设方程,并注意到y1是题设方程的解,有

y1dz?dy12y1???2??z?0, dx?dxx?将y1代入,并整理,得 C1dz. ??2zcotx?z?2dxsinx故所求通解为

y?y1zdx??sinx?C11?sinxdx?C.?(?Ccotx?C)?(C2sinx?C1cosx). 2?12?x?sin2xxx?其中C1,C2为任意常数.

dy?Cx.从而得到对应齐次方程的通解y?C1x2?C2. dx为求非齐次方程的一个解y?,将C1,C2换成待定函数u1,u2,设y??u1x2?u2,根据常数变易法, u1,u2满足下列方程组

2???1?u2??011?xu1??,u2???x2. ?u1???0?u2??x22??2xu1x31积分并取其一个原函数得u1?x,u2??.于是,题设原方程的一个特解为

62x3x3x3y?u1x?u2?1???.

263*2从而题设方程的通解为

x3y?C1x?C2?.

32

习题12-7

1、 求下列微分方程的通解

(1) y″+3y′+2y=0; (2) 3y″+2y′=0;

(3) y″+4y=0; (4) 4dx/dt-20 dx/dt+25x=0;

(5) y???2y??3y?0; (6) y???4y??4y?0; (7) y???2y??5y?0; (8)y???4y??13y?0; (9)y -y=0;其中??0; (10)y(4)?2y????5y???0;

(4)

2

2

d4w?5??3?(11)4??4w?0; (12) y?2y?y??0;

dx (13) y?2y?y???2y?0; (14) y-2y +y″=0. 答案: (1) y″+3y′+2y=0

(4)

(3)

?6?(4)解 特征方程:r+3r+2=0. 即:(r+1)(r+2) =0得特征根: r1=-1, r2=-2 所以线性无关的特解为: y1=e ,y2=e

(2) 3y″+2y′=0

解 特征方程: 3r+2r=0. 即: r(3r+2) =0. r1=0, r2=-2/3. 所以 y=C1e+C2e

(3) y″+4y=0

解 特征方程: r+4=0, r=±2i, 所以y=C1cos2x+C2sin2x. (4) 4dx/dt-20 dx/dt+25x=0.

解 分析此题t 为自变量,x是t的函数,依然是二阶常系数齐次方程. 特征方程: 4r-20r+25=0. 即(2r-5)=0, r1=r2=5/2. 所以x=(C1+C2t) e

5t/2

2

2

2

2

2

0x

-2/3x

2

-x

-2x

2

. 所以方程的通解为: y=C1e+C2e

-x-2x

=C1+C2e

-2/3x

为所求.

(5)求方程y???2y??3y?0的通解.

解 所给微分方程的特征方程为r2?2r?3?0,

其根r1??1,r2?3是两个不相等的实根,因此所求通解为y?C1e?x?C2e3x.

(6)求方程y???4y??4y?0的通解.

解 特征方程为r2?4r?4?0,解得r1?r2??2,故所求通解为y?(C1?C2x)e?2x.

(7)求方程y???2y??5y?0的通解.

解 特征方程为r2?2r?5?0,解得r1,2??1?2i,故所求通解为

y?e?x(C1cos2x?C2sin2x).

(8)求方程y???4y??13y?0的通解.

解 特征方程为 r?4r?13?0. 特征根为 r1?2?3i, r2?2?3i. 所以原方程的通解为

(9) y

(4)

2 y?e(C1cos3x?C2sin3x).

-y=0.

4

2

2x解 特征方程: r-1=0. (r+1)( r-1)( r+1)=0. r1.2=±i, r3=1, r4=-1. 所以y=C1cosx+C2sinx+C3e+C4e为所求.

(10)求方程y(4)?2y????5y???0的通解.

解 特征方程为r4?2r3?5r2?0,即r2(r2?2r?5)?0, 特征根是r1?r2?0和r3,4??1?2i,因此所给微分方程的通解为

y?C1?C2x?ex(C3cos2x?C4sin2x).

x

-x

d4w(11)求方程4??4w?0的通解, 其中??0.

dx解 特征方程为r4??4?0.由于

r4??4?r4?2r2?2??4?2r2??(r2??2)2?2r2?2?(r2?2?r??2)(r2?2?r??2),

特征方程为(r2?2?r??2)(r2?2?r??2)?0,特征根为r1,2?因此所给方程的通解为

??2(1?i),r3,4???2(1?i),

w?e

2x????x?C2sinx??C1cos??e22?????2x?????Ccosx?Csinx?4?3?.

22??

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