高等數(shù)學練習答案12-9.doc

習題12-9 1. 求下列各微分方程的通解: (1)2y+y-y=2ex; 解 微分方程的特征方程為 2r2+r-1=0, 其根為, r2=-1, 故對應的齊次方程的通解為 . 因為f(x)=2ex , l=1不是特征方程的根, 故原方程的特解設為 y*=Aex, 代入原方程得 2Aex+Aex-Aex=2ex, 解得A=1, 從而y*=ex. 因此, 原方程的通解為 . (2)y+a2y=ex; 解 微分方程的特征方程為 r2+a2=0, 其根為r=ai, 故對應的齊次方程的通解為 Y=C1cos ax+C2sin ax. 因為f(x)=ex, l=1不是特征方程的根, 故原方程的特解設為 y*=Aex, 代入原方程得 Aex+a2Aex=ex, 解得, 從而. 因此, 原方程的通解為 . (3)2y+5y=5x2-2x-1; 解 微分方程的特征方程為 2r2+5r=0, 其根為r1=0, , 故對應的齊次方程的通解為 . 因為f(x)=5x2-2x-1, l=0是特征方程的單根, 故原方程的特解設為 y*=x(Ax2+Bx+C),代入原方程并整理得 15Ax2+(12A+10B)x+(4B+5C)=5x2-2x-1, 比較系數(shù)得, , , 從而. 因此, 原方程的通解為 . (4)y+3y+2y=3xe-x; 解 微分方程的特征方程為 r2+3r+2=0, 其根為r1=-1, r2=-2, 故對應的齊次方程的通解為 Y=C1e-x+C2e-2x. 因為f(x)=3xe-x, l=-1是特征方程的單根, 故原方程的特解設為 y*=x(Ax+B)e-x, 代入原方程并整理得 2Ax+(2A+B)=3x, 比較系數(shù)得, B=-3, 從而. 因此, 原方程的通解為 . (5)y-2y+5y=exsin2x; 解 微分方程的特征方程為 r2-2r+5=0, 其根為r1, 2=12i, 故對應的齊次方程的通解為 Y=ex(C1cos2x+C2sin2x). 因為f(x)=exsin2x, l+iw=1+2i是特征方程的根, 故原方程的特解設為 y*=xex(Acos2x+Bsin2x), 代入原方程得 ex4Bcos2x-4Asin2x=exsin2x, 比較系數(shù)得, B=0, 從而. 因此, 原方程的通解為 . (6)y-6y+9y=(x+1)e3x; 解 微分方程的特征方程為 r2-6r+9=0, 其根為r1=r2=3, 故對應的齊次方程的通解為 Y=e3x(C1+C2x). 因為f(x)=(x+1)e3x, l=3是特征方程的重根, 故原方程的特解設為 y*=x2e3x(Ax+B), 代入原方程得 e3x(6Ax+2B)=e3x(x+1), 比較系數(shù)得, , 從而. 因此, 原方程的通解為 . (7)y+5y+4y=3-2x; 解 微分方程的特征方程為 r2+5r+4=0, 其根為r1=-1, r2=-4, 故對應的齊次方程的通解為 Y=C1e-x+C2e-4x. 因為f(x)=3-2x=(3-2x)e0x, l=0不是特征方程的根, 故原方程的特解設為 y*=Ax+B, 代入原方程得 4Ax+(5A+4B)=-2x+3, 比較系數(shù)得, , 從而. 因此, 原方程的通解為 . (8)y+4y=xcos x; 解 微分方程的特征方程為 r2+4=0, 其根為r=2i, 故對應的齊次方程的通解為 Y=C1cos2x+C2sin2x. 因為f(x)= xcos x=e0x(xcos x+0sin x), l+iw=i不是特征方程的根, 故原方程的特解設為 y*=(Ax+B)cos x+(Cx+D)sin x, 代入原方程得 (3Ax+3B+2C)cos x+(3Cx-2A+3D)sin x=xcos x, 比較系數(shù)得, B=0, C=0, 從而. 因此, 原方程的通解為 . (9)y+y=ex+cos x; 解 微分方程的特征方程為 r2+1=0, 其根為r=i , 故對應的齊次方程的通解為 Y=C1cos x+C2sin x. 因為f(x)=f1(x)+f2(x), 其中f1(x)=ex, f2(x)=cos x, 而 方程y+y=ex具有Aex形式的特解; 方程y+y=cos x具有x(Bcos x+Csin x)形式的特解, 故原方程的特解設為 y*=Aex+x(Bcos x+Csin x), 代入原方程得 2Aex+2Ccos x-2Bsin x=ex+cos x, 比較系數(shù)得, B=0, 從而. 因此, 原方程的通解為 . (10)y-y=sin2x . 解 微分方程的特征方程為 r2-1=0, 其根為r1=-1, r2=1, 故對應的齊次方程的通解為 Y=C1e-x+C2ex. 因為, 而 方程的特解為常數(shù)A; 方程具有Bcos2x+Csin2x形式的特解, 故原方程的特解設為 y*=A+Bcos2x+Csin2x,代入原方程得 , 比較系數(shù)得, C=0, 從而. 因此, 原方程的通解為 . 2. 求下列各微分方程滿足已給初始條件的特解: (1)y+y+sin x=0, y|x=p=1, y|x=p=1; 解 微分方程的特征方程為 r2+1=0, 其根為r=i, 故對應的齊次方程的通解為 Y=C1cos x+C2sin x. 因為f(x)=-sin2x=e0x(0cos2x-sin2x), l+iw=i是特征方程的根, 故原方程的特解設為 y*=Acos2x+Bsin2x, 代入原方程得 -3Acos 2x-3Bsin2x=-sin2x, 解得A=0, , 從而. 因此, 原方程的通解為 . 由y|x=p=1, y|x=p=1得C1=-1, , 故滿足初始條件的特解為 . (2)y-3y+2y=5, y|x=0=1, y|x=0=2; 解 微分方程的特征方程為 r2-3r+2=0, 其根為r1=1, r2=2, 故對應的齊次方程的通解為 Y=C1ex+C2e2x. 容易看出為非齊次方程的一個特解, 故原方程的通解為 . 由y|x=0=1, y|x=0=2得 , 解之得C1=-5, . 因此滿足初始條件的特解為 . (3)y-10y+9y=e2x, , ; 解 微分方程的特征方程為 r2-10r+9=0, 其根為r1=1, r2=9, 故對應的齊次方程的通解為 Y=C1ex+C2e9x. 因為f(x)=e2x, l=2不是特征方程的根, 故原方程的特解設為 y*=Ae2x, 代入原方程得 (4A-20A+9A)e2x=e2x, 解得, 從而. 因此, 原方程的通解為 . 由, 得. 因此滿足初始條件的特解為 . (4)y-y=4xex, y|x=0=0, y|x=0=1; 解 微分方程的特征方程為 r2-1=0, 其根為r1=-1, r2=1, 故對應的齊次方程的通解為 Y=C1e-x+C2ex. 因為f(x)=4xex, l=1是特征方程的單根, 故原方程的特解設為 y*=xex(Ax+B), 代入原方程得 (4Ax+2A+2B)ex=4xex, 比較系數(shù)得A=1, B=-1, 從而y*=xex(x-1). 因此, 原方程的通解為 y*=C1e-x+C2ex+xex(x-1). 由y|x=0=0, y|x=0=1得 , 解之得C1=1, C2=-1. 因此滿足初始條件的特解為 y=e-x-ex+xex(x-1). (5)y-4y=5, y|x=0=1, y|x=0=0. 解 微分方程的特征方程為 r2-4r=0, 其根為r1=0, r2=4, 故對應的齊次方程的通解為 Y=C1+C2e4x. 因為f(x)=5=5e0x, l=0是特征方程的單根, 故原方程的特解設為 y*=Ax, 代入原方程得 -4A=5, , 從而. 因此, 原方程的通解為 . 由y|x=0=1, y|x=0=0得, . 因此滿足初始條件的特解為 . 3. 大炮以仰角a、初速度v0發(fā)射炮彈, 若不計空氣阻力, 求彈道曲線. 解 取炮口為原點, 炮彈前進的水平方向為x軸, 鉛直向上為y軸, 彈道運動的微分方程為 , 且滿足初始條件 . 易得滿足方程和初始條件的解(彈道曲線)為 . 4. 在R、L、C含源串聯(lián)電路中, 電動勢為E的電源對電容器C充電. 已知E=20V, C=0.2mF(微法), L=0.1H(亨), R=1000W, 試求合上開關K后電流i(t)及電壓uc(t). 解 (1)列方程. 由回路定律可知 , 即 , 且當t=0時, u c=0, uc=0. 已知R=1000W, L=0.1H, C=0.2mF, 故 , , . 因此微分方程為. (2)解方程. 微分方程的特征方程為r2+104r+5107=0, 其根為r 1, 2=-51035103i. 因此對應的齊次方程的通解為 . 由觀察法易知y*=20為非齊次方程的一個特解. 因此非齊次方程的通解為 . 由t=0時, u c=0, uc=0, 得C1=-20, C2=-20. 因此 (V), (A). 5. 一鏈條懸掛在一釘子上, 起動時一端離開釘子8m另一端離開釘子12m, 分別在以下兩種情況下求鏈條滑下來所需的時間: (1)若不計釘子對鏈條所產(chǎn)生的摩擦力; 解 設在時刻t時, 鏈條上較長的一段垂下xm, 且設鏈條的密度為r, 則向下拉鏈條下滑的作用力 F=xrg-(20-x)rg=2rg(x-10). 由牛頓第二定律, 有 20rx=2rg(x-10), 即. 微分方程的特征方程為 , 其根為, 故對應的齊次方程的通解為 . 由觀察法易知x*=10為非齊次方程的一個特解, 故通解為 . 由x(0)=12及x(0)=0得C1=C2=1. 因此特解為 . 當x=20, 即鏈條完全滑下來時有, 解之得所需時間 s. (2)若摩擦力為1m長的鏈條的重量. 解 此時向下拉鏈條的作用力變?yōu)?F=xrg-(20-x)rg-1rg=2rgx-21rg 由牛頓第二定律, 有 20rx=2rgx-21rg, 即. 微分方程的通解為 . 由x(0)=12及x(0)=0得. 因此特解為 . 當x=20, 即鏈條完