一阶微分方程的一题多解

来源 :数学学习与研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:weiqiwin
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  【摘要】本文采用不同的方法对一道一阶微分方程的题目进行求解,并由此體现出初等解法在一阶微分方程求解中的多样性.
  【关键词】积分因子法;分项组合;一阶微分方程;常数变易
  本文采用五种方法求解微分方程ydx-(x y3)dy=0.
  具体如下:
  解法一(积分因子公式法)
  由方程知M=y,N=-(x y3),
  又My≠Nx,故原方程为非恰当方程,
  又由My-Nx-M=-2y只和y有关,所以原方程有只和y有关的积分因子μ(y)=e∫-2ydy=1y2,
  原方程两边同乘1y2得1ydx-xy2 ydy=0,
  其中,M=1y,N=-xy2-y,
  My=Nx=-1y2,故此方程为恰当方程.
  设u(x,y)=∫1ydx φ(y),则
  uy=y∫1ydx φ′(y)=-xy2-y,
  得φ′(y)=-y,则φ(y)=∫-ydy=-12y2 c,
  从而原方程的通解为-12y2 xy=c(c为任意常数).
  解法二(观察法)
  通过观察得积分因子μ=1y2,将1y2乘原方程两边得
  1ydx-xy2 y=0,
  即-ydy ydx-xdyy2=d-12y2 xy,
  故原方程的通解为-12y2 xy=c(c为任意常数).
  解法三(常数变易法)
  原方程可变形为dydx=yx y3,
  将y看作自变量,x看作因变量,原方程可化为
  dxdy=xy y2,下面分两步进行求解:
  (1)先求对应齐次线性微分方程dxdy=1y的解.
  由公式x=ce∫p(x)dy得
  x=ce∫1ydy=cy.
  (2)利用常数变易:
  设x=c(y)y为原方程的解,代入
  dxdy=xy y2得
  c′(y)y c(y)=c(y) y2,
  易得c′(y)=y,则
  c(y)=∫ydy=12y2 c,
  故原方程的通解为-12y2 xy=c(c为任意常数).
  解法四(一阶非齐次线性公式法)
  将x看作因变量,y看作因变量,原方程可化为
  dxdy=xy y2,其中,p(y)=1y,q(y)=y2,
  由公式x=e∫p(y)dy∫q(y)e-∫p(y)dydy c得
  x=e∫1ydy∫y2e-∫1ydydy c=y12y2 c,
  故原方程的通解为-12y2 xy=c(c为任意常数).
  解法五(曲线积分法)
  通过观察得积分因子μ=1y2,将1y2乘原方程两边得
  1ydx-xy2 y=0,为恰当方程,用曲线积分法求解.
  取x0=0,y0=0,则u(x,y)=∫x01ydx ∫y0-ydy=1yx-12y2,
  故原方程的通解为-12y2 xy=c(c为任意常数).
  【参考文献】
  [1]赵临龙.常微分方程[M].武汉:华中师范大学出版社,2014.
  [2]王克,潘家齐.常微分方程学习指导[M].北京:高等教育出版社,2007.
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