• 高等数学(第七版)同济大学 习题7-1 个人解答


    高等数学(第七版)同济大学 习题7-1

     

    1.  试说出下列各微分方程的阶数: 1.  1. 试说出下列各微分方程的阶数:

       ( 1 )    x ( y ′ ) 2 − 2 y y ′ + x = 0 ;                         ( 2 )    x 2 y ′ ′ − x y ′ + y = 0 ;    ( 3 )    x y ′ ′ ′ + 2 y ′ ′ + x 2 y = 0 ;                          ( 4 )    ( 7 x − 6 y ) d x + ( x + y ) d y = 0 ;    ( 5 )    L d 2 Q d t 2 + R d Q d t + Q C = 0 ;                     ( 6 )    d ρ d θ + ρ = s i n 2   θ .   (1)  x(y)22yy+x=0                        (2)  x2y   (1)  x(y)22yy+x=0                        (2)  x2y′′xy+y=0  (3)  xy′′′+2y′′+x2y=0                         (4)  (7x6y)dx+(x+y)dy=0  (5)  Ldt2d2Q+RdtdQ+CQ=0                    (6)  dθdρ+ρ=sin2 θ.

    解:

       ( 1 )  一阶    ( 2 )  二阶    ( 3 )  三阶    ( 4 )  一阶    ( 5 )  二阶    ( 6 )  一阶   (1) 一阶  (2) 二阶  (3) 三阶  (4) 一阶  (5) 二阶  (6) 一阶


    2.  指出下列各题中的函数是否为所给微分方程的解: 2. 指出下列各题中的函数是否为所给微分方程的解:

       ( 1 )    x y ′ = 2 y , y = 5 x 2 ;    ( 2 )    y ′ ′ + y = 0 , y = 3 s i n   x − 4 c o s   x ;    ( 3 )    y ′ ′ − 2 y ′ + y = 0 , y = x 2 e x ;    ( 4 )    y ′ ′ − ( λ 1 + λ 2 ) y ′ + λ 1 λ 2 y = 0 , y = C 1 e λ 1 x + C 2 e λ 2 x   (1)  xy=2yy=5x2  (2)  y′′+y=0y=3sin x4cos x  (3)  y′′2y+y=0y=x2ex  (4)  y′′(λ1+λ2)y+λ1λ2y=0y=C1eλ1x+C2eλ2x

    解:

       ( 1 )   y ′ = 10 x , x y ′ = 10 x 2 , 2 y = 10 x 2 ,所以, y = 5 x 2 是微分方程的解。    ( 2 )   y ′ = 3 c o s   x + 4 s i n   x , y ′ ′ = − 3 s i n   x + 4 c o s   x , y ′ ′ + y = − 3 s i n   x + 4 c o s   x + 3 s i n   x − 4 c o s   x = 0 ,         所以, y = 3 s i n   x − 4 c o s   x 是微分方程的解。    ( 3 )   y ′ = 2 x e x + x 2 e x , y ′ ′ = 2 e x + 2 x e x + 2 x e x + x 2 e x ,          y ′ ′ − 2 y ′ + y = 2 e x + 2 x e x + 2 x e x + x 2 e x − 4 x e x − 2 x 2 e x + x 2 e x = 2 e x ≠ 0 ,所以, y = x 2 e x 不是微分方程的解。    ( 4 )   y ′ = C 1 λ 1 e λ 1 x + C 2 λ 2 e λ 2 x , y ′ ′ = C 1 λ 1 2 e λ 1 x + C 2 λ 2 2 e λ 2 x ,          y ′ ′ − ( λ 1 + λ 2 ) y ′ + λ 1 λ 2 y = C 1 λ 1 2 e λ 1 x + C 2 λ 2 2 e λ 2 x − ( λ 1 + λ 2 ) ( C 1 λ 1 e λ 1 x + C 2 λ 2 e λ 2 x ) + λ 1 λ 2 ( C 1 e λ 1 x + C 2 e λ 2 x ) = 0          所以, y = C 1 e λ 1 x + C 2 e λ 2 x 是微分方程的解。   (1) y=10xxy=10x22y=10x2,所以,y=5x2是微分方程的解。  (2) y=3cos x+4sin xy′′=3sin x+4cos xy′′+y=3sin x+4cos x+3sin x4cos x=0        所以,y=3sin x4cos x是微分方程的解。  (3) y=2xex+x2exy′′=2ex+2xex+2xex+x2ex        y′′2y+y=2ex+2xex+2xex+x2ex4xex2x2ex+x2ex=2ex=0,所以,y=x2ex不是微分方程的解。  (4) y=C1λ1eλ1x+C2λ2eλ2xy′′=C1λ12eλ1x+C2λ22eλ2x        y′′(λ1+λ2)y+λ1λ2y=C1λ12eλ1x+C2λ22eλ2x(λ1+λ2)(C1λ1eλ1x+C2λ2eλ2x)+λ1λ2(C1eλ1x+C2eλ2x)=0         所以,y=C1eλ1x+C2eλ2x是微分方程的解。


    3.  在下列各题中,验证所给二元方程所确定的函数为所给微分方程的解: 3. 在下列各题中,验证所给二元方程所确定的函数为所给微分方程的解:

       ( 1 )    ( x − 2 y ) y ′ = 2 x − y , x 2 − x y + y 2 = C ;    ( 2 )    ( x y − x ) y ′ ′ + x y ′ 2 + y y ′ − 2 y ′ = 0 , y = l n ( x y ) .   (1)  (x2y)y=2xyx2xy+y2=C  (2)  (xyx)y′′+xy′2+yy2y=0y=ln(xy).

    解:

       ( 1 )  方程 x 2 − x y + y 2 = C 两端求导,得 2 x − ( y + x y ′ ) + 2 y y ′ = 0 ,即 ( x − 2 y ) y ′ = 2 x − y ,          所以, x 2 − x y + y 2 = C 是微分方程的解。    ( 2 )  方程 y = l n ( x y ) 两端对 x 求导,得 y ′ = y + x y ′ x y ,即 ( x y − x ) y ′ − y = 0 ,再对上式两端对 x 求导,          得 ( y + x y ′ − 1 ) y ′ + ( x y − x ) y ′ ′ − y ′ = 0 ,即 ( x y − x ) y ′ ′ + x y ′ 2 + y y ′ − 2 y ′ = 0 ,          所以, y = l n ( x y ) 是微分方程的解。   (1) 方程x2xy+y2=C两端求导,得2x(y+xy)+2yy=0,即(x2y)y=2xy         所以,x2xy+y2=C是微分方程的解。  (2) 方程y=ln(xy)两端对x求导,得y=xyy+xy,即(xyx)yy=0,再对上式两端对x求导,         (y+xy1)y+(xyx)y′′y=0,即(xyx)y′′+xy′2+yy2y=0         所以,y=ln(xy)是微分方程的解。


    4.  在下列各题中,确定函数关系式中所含的参数,使函数满足所给的初值条件: 4. 在下列各题中,确定函数关系式中所含的参数,使函数满足所给的初值条件:

       ( 1 )    x 2 − y 2 = C , y ∣ x = 0 = 5 ;    ( 2 )    y = ( C 1 + C 2 x ) e 2 x , y ∣ x = 0 = 0 , y ′ ∣ x = 0 = 1 ;    ( 3 )    y = C 1 s i n ( x − C 2 ) , y ∣ x = π = 1 , y ′ ∣ x = π = 0.   (1)  x2y2=Cyx=0=5  (2)  y=(C1+C2x)e2xyx=0=0yx=0=1  (3)  y=C1sin(xC2)yx=π=1yx=π=0.

    解:

       ( 1 )  将 x = 0 , y = 5 代入函数中,得 C = − 25 ,即 x 2 − y 2 = − 25    ( 2 )  由 y = ( C 1 + C 2 x ) e 2 x ,得 y ′ = ( C 2 + 2 C 1 + 2 C 2 x ) e 2 x ,将 x = 0 , y = 0 及 y ′ = 1 代入函数,         得 C 1 = 0 , 2 C 1 + C 2 = 1 ,即 C 1 = 0 , C 2 = 1 , y = x e 2 x .    ( 3 )  由 y = C 1 s i n ( x − C 2 ) ,得 y ′ = C 1 c o s ( x − C 2 ) ,将 x = π , y = 1 及 y ′ = 0 代入函数,         得 { 1 = C 1 s i n ( π − C 2 ) = C 1 s i n   C 2 ,        ( 1 ) 0 = C 1 c o s ( π − C 2 ) = − C 1 c o s   C 2 ,      ( 2 ) ,由 ( 1 ) 2 + ( 2 ) 2 得 C 1 2 = 1 ,取 C 1 = 1 ,由 ( 1 ) 得 C 2 = 2 k π + π 2 ,         所以, y = s i n ( x − 2 k π − π 2 ) = − c o s   x .   (1) x=0y=5代入函数中,得C=25,即x2y2=25  (2) y=(C1+C2x)e2x,得y=(C2+2C1+2C2x)e2x,将x=0y=0y=1代入函数,        C1=02C1+C2=1,即C1=0C2=1y=xe2x.  (3) y=C1sin(xC2),得y=C1cos(xC2),将x=πy=1y=0代入函数,         1=C1sin(πC2)=C1sin C2       (1)0=C1cos(πC2)=C1cos C2     (2),由(1)2+(2)2C12=1,取C1=1,由(1)C2=2+2π        所以,y=sin(x22π)=cos x.


    5.  写出由下列条件确定得曲线所满足的微分方程: 5. 写出由下列条件确定得曲线所满足的微分方程:

       ( 1 )   曲线在点 ( x ,   y ) 处的切线的斜率等于该点横坐标的平方;    ( 2 )   曲线上点 P ( x ,   y ) 处的法线与 x 轴的交点为 Q ,且线段 P Q 被 y 轴平分。   (1)  曲线在点(x, y)处的切线的斜率等于该点横坐标的平方;  (2)  曲线上点P(x, y)处的法线与x轴的交点为Q,且线段PQy轴平分。

    解:

       ( 1 )  设曲线方程为 y = y ( x ) ,它在点 ( x ,   y ) 处的切线斜率为 y ′ ,根据条件,有 y ′ = x 2 为曲线方程所满足的微分方程。    ( 2 )  设曲线方程为 y = y ( x ) ,因它在点 P ( x ,   y ) 处的切线斜率为 y ′ ,所以该点处法线斜率为 − 1 y ’ ,         根据条件可知 P Q 之中点位与 y 轴上,所以点 Q 的坐标是 ( − x ,   0 ) ,于是有 y = 0 x − ( − x ) = − 1 y ′ ,         即微分方程为 y y ′ + 2 x = 0.   (1) 设曲线方程为y=y(x),它在点(x, y)处的切线斜率为y,根据条件,有y=x2为曲线方程所满足的微分方程。  (2) 设曲线方程为y=y(x),因它在点P(x, y)处的切线斜率为y,所以该点处法线斜率为y1        根据条件可知PQ之中点位与y轴上,所以点Q的坐标是(x, 0),于是有x(x)y=0=y1        即微分方程为yy+2x=0.


    6.  用微分方程表示一物理命题:某种气体的压强 p 对于温度 T 的变化率与压强成正比,与温度的平方成反比 . 6. 用微分方程表示一物理命题:某种气体的压强p对于温度T的变化率与压强成正比,与温度的平方成反比.
    解:

      因为 d P d T 与 P 成正比,与 T 2 成反比,若比例系数为 k ,则有 d P d T = k P T 2   因为dTdPP成正比,与T2成反比,若比例系数为k,则有dTdP=kT2P


    7.  一个半球体形状的雪堆,其体积融化率与半球面面积 A 成正比,比例系数 k > 0 。假设在融化过程中雪堆     始终保持半球体状,已知半径为 r 0 的雪堆在开始融化的 3 小时内,融化了其体积的 7 8 ,问雪堆全部融化     需要多少小时? 7. 一个半球体形状的雪堆,其体积融化率与半球面面积A成正比,比例系数k>0。假设在融化过程中雪堆    始终保持半球体状,已知半径为r0的雪堆在开始融化的3小时内,融化了其体积的87,问雪堆全部融化    需要多少小时?
    解:

      设雪堆在时刻 t 的体积为 V = 2 3 π r 3 ,侧面积 S = 2 π r 2 ,根据题意可知 d V d t = 2 π r 2 d r d t = − k S = − 2 π k r 2 ,   得 d r d t = − k ,积分得 r = − k t + C ,由 r ∣ t = 0 = r 0 ,得 C = r 0 , r = r 0 − k t ,又因为 V ∣ t = 3 = 1 8 V ∣ t = 0 ,   即 2 3 π ( r 0 − 3 k ) 3 = 1 8 ⋅ 2 3 π r 0 3 ,得 k = 1 6 r 0 ,从而得 r = r 0 − 1 6 r 0 t ,所以,雪堆全部融化时, r = 0 ,   得 t = 6 ,即雪堆全部融化需 6 小时 .   设雪堆在时刻t的体积为V=32πr3,侧面积S=2πr2,根据题意可知dtdV=2πr2dtdr=kS=2πkr2  dtdr=k,积分得r=kt+C,由rt=0=r0,得C=r0r=r0kt,又因为Vt=3=81Vt=0  32π(r03k)3=8132πr03,得k=61r0,从而得r=r061r0t,所以,雪堆全部融化时,r=0  t=6,即雪堆全部融化需6小时.

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