在考研复试中,常微分方程是一个重要的考点。以下是一些常微分方程的常见问题及其解答:
指出下列方程中的阶数,是线性方程还是非线性方程,并阐明理由
问题:判断并说明理由。
答案:
$t^2frac{du}{dt} + tfrac{du}{dt} + (t^2 - 1)u = 0$:二阶线性方程,因为未知函数u的最高阶导数为2,且方程中u的各阶导数都是一次的。
$dxdy = x^2 + y^2$:一阶非线性方程,因为y是未知函数,且y的最高阶导数为1,而$y^2$是二次的。
$dxdy + 2xy = 0$:一阶非线性方程,因为y是未知函数,且y的最高阶导数为1,而$y^2$是二次的。
求曲线族$y = C_1e^x + C_2xe^x$所满足的微分方程
答案:$y'' - 4y = 0$。可以通过求导验证:
$y' = e^x + C_2e^x + C_2xe^x$
$y'' = 2e^x + C_2e^x + C_2e^x + C_2xe^x = 2e^x + 2C_2e^x + C_2xe^x$
代入得:$y'' - 4y = 2e^x + 2C_2e^x + C_2xe^x - 4(C_1e^x + C_2xe^x) = 2e^x - 4C_1e^x$,由于$C_1$是常数,可以合并得$y'' - 4y = 0$。
验证函数$y = C_1e^{x^2} + C_2e^{2x}$是微分方程$y'' - 4y = 0$的解,并进一步验证它是通解
答案:
求导得:
$y' = 2C_1xe^{x^2} + 4C_2e^{2x}$
$y'' = 2C_1(2xe^{x^2} + e^{x^2}) + 8C_2e^{2x} = 4C_1xe^{x^2} + 2C_1e^{x^2} + 8C_2e^{2x}$
代入微分方程$y'' - 4y = 0$:
$4C_1xe^{x^2} + 2C_1e^{x^2} + 8C_2e^{2x} - 4(C_1e^{x^2} + C_2e^{2x}) = 4C_1xe^{x^2} + 2C_1e^{x^2} + 8C_2e^{2x} - 4C_1e^{x^2} - 4C_2e^{2x} = 0$
因此,$y = C_1e^{x^2} + C_2e^{2x}$是微分方程$y'' - 4y = 0$的解,且由于包含两个任意常数$C_1$和$C_2$,它是通解。
求解下列方程的通解
问题:给出多个微分方程,要求求解它们的通解。
答案:
$y' = sin x$:通解为$y = -cos x + C$,其中$C$为任意常数。
$x^2y'' + 2xy' + 1 = y$:通解形式较为复杂,可以通过变量代换或降阶法求解。
$dxdy = e^{2x-y}$:可以通过积分因子法或变量代换法求解。
其他方程可以通过类似的方法求解,具体过程略。
叙述齐次函数的定义
答案:齐次