常微分方程练习试卷及答案
常微分方程练习试卷
一、填空题。
1. 方程23
2
10d x
x dt +=是 阶 (线性、非线性)微分方程. 2. 方程
()x dy
f xy y dx
=经变换_______,可以化为变量分离方程 . 3. 微分方程3230d y
y x dx
--=满足条件(0)1,(0)2y y '==的解有 个.
4. 设常系数方程x y y y e αβγ'''++=的一个特解*2()x x x
y x e e xe =++,则此方程的系
数α= ,β= ,γ= . 5. 朗斯基行列式()0W t ≡是函数组12(),(),,()n x t x t x t 在a x b ≤≤上线性相关的
条件.
6. 方程22(2320)0xydx x y dy ++-=的只与y 有关的积分因子为 .
7. 已知()X A t X '=的基解矩阵为()t Φ的,则()A t = .
8. 方程组20'05??
=??
??
x x 的基解矩阵为 . 9.可用变换 将伯努利方程 化为线性方程.
10 .是满足方程251y y y y ''''''+++= 和初始条件 的唯一
解. 11.方程
的待定特解可取 的形式:
12. 三阶常系数齐线性方程 20y y y '''''-+=的特征根是
二、计算题
1.求平面上过原点的曲线方程, 该曲线上任一点处的切线与切点和点(1,0)的连线相互垂直.
2.求解方程13
dy x y dx x y +-=-+.
3. 求解方程22
2()0d x dx x dt dt
+= 。
4.用比较系数法解方程.
.
5.求方程 sin y y x '=+的通解.
6.验证微分方程22
(cos sin )(1)0x x xy dx y x dy -+-=是恰当方程,并求出它的通解.
7.设 3124A -??=??-?? , ??????-=11η ,试求方程组X A dt dX
=的一个基解基解矩阵)(t Φ,求
X A dt
dX
=满足初始条件η=)0(x 的解. 8. 求方程 2213dy
x y dx
=-- 通过点(1,0) 的第二次近似解.
9.求 的通解
试求方程组x Ax '=的解(),t ? 12(0),η?ηη??==????
并求expAt 10.若
三、证明题
1. 若(),()t t Φψ是()X A t X '=的基解矩阵,求证:存在一个非奇异的常数矩阵C ,使得
()()t t C ψ=Φ.
2. 设),()(0βα?≤≤x x x 是积分方程
]
,[,,
])([)(0200
βαξξξξ∈++=?x x d y y x y x
x
的皮卡逐步逼近函数序列)}({x n ?在],[βα上一致收敛所得的解,而)(x ψ是这积分方程在
],[βα上的连续解,试用逐步逼近法证明:在],[βα上)()(x x ?ψ≡.
3. 设 都是区间 上的连续函数, 且 是二阶线性方程
的一个基本解组. 试证明:
(i) 和 都只能有简单零点(即函数值与导函数值不能在一点同时为零);
(ii)
和 没有共同的零点;
2114A ??=??-??32()480dy dy xy y dx dx -+=
(iii) 和 没有共同的零点.
4.试证:如果)(t ?是AX dt
dX
=满足初始条件η?=)(0t 的解,
那么η?)(ex p )(0t t A t -= .
答案
一.填空题。
1. 二,非线性
2.u xy
=,
11
(()1)du dx u f u x
=+ 3.无穷多
4.3,2,1αβγ=-==-
5.必要
6.3
y
7.1()()t t -'ΦΦ 8. 25 00t At
t e e e ??=??
??
9.
10.
11.
12. 1,
二、计算题
1.求平面上过原点的曲线方程, 该曲线上任一点处的切线与切点和点(1,0)的连线相互垂直. 解: 设曲线方程为 , 切点为(x ,y ), 切点到点(1,0)的连线的斜率为
, 则
由题意
可得如下初值问题:
.
分离变量, 积分并整理后可得 .
代入初始条件可得 , 因此得所求曲线为
.
2.求解方程13
dy x y dx x y +-=-+.
解:由10,
30x y x y +-=??-+=? 求得1,2x
y =-= 令 1,
2,x y ξη=-??
=+?
则有
.d d ηξηξξη+=-令z ηξ=,解得2
(1)1z dz d z ξξ-=+,积分得2
1arctan ln(1)ln ||2
z z C ξ-+=+, 故原方程的解为 222
arctan ln (1)(2)1
y x y C x -=++-++.
3. 求解方程22
2()0d x dx x dt dt
+=
解 令
,直接计算可得,于是原方程化为
,故有
或
,积分后得
,即
,
所以 就是原方程的通解,这里为任意常
数。
4.用比较系数法解方程. .
解:特征方程为 , 特征根为
.
对应齐方程的通解为 . 设原方程的特解有形如 代如原方程可得 利用对应系数相等可得
, 故
.
原方程的通解可以表示为( 是任意常数)
.
5.求方程 sin y y x '=+的通解.
解:先解y y '=得通解为x y ce =, 令()x y c x e =为原方程的解,
代入得()()()sin x x x c x e c x e c x e x '+=+, 即有()sin x c x e x -'=,
积分得1()(sin cos )2x c x e x x c -=-++ , 所以1
(sin cos )2
x y ce x x =-+ 为原方程的
通解.
6.验证微分方程22
(cos sin )(1)0x x xy dx y x dy -+-=是恰当方程,并求出它的通解.
解:由于22(,)cos sin ,(,)(1)M x y x x xy N x y y x =-=-,因为2M N
xy y x
??=-=??所以原方程为恰当方程.
把原方程分项组合得22cos sin ()0x xdx xy dx yx dy ydy -++=,
或写成2222111
(sin )()()0222d x d x y d y ++=, 故原方程的通解为
2222sin x x y y C -+=.
7.设 3124A -??=??-?? , ??????-=11η ,试求方程组X A dt dX
=的一个基解基解矩阵)(t Φ,求
X A dt
dX
=满足初始条件η=)0(x 的解. 解:特征方程为 31det()(2)(5)0,2
4A E λλλλλ
---=
=++=--
求得特征值122,5λλ=-=-,对应122,5λλ=-=-的特征向量分别为
1211,,(,0).12V V αβαβ????
==≠????-????
可得一个基解矩阵2525().2t
t t
t e e t e
e ----??Φ=??-??
,又因为1
211(0)113-??Φ=??-?? , 于是,所求的解为=ΦΦ=-η?)0()()(1
t t 2525211111132t
t t
t e e e e ----????????????---?????? 25252134t t t t e e e e ----??
+=??-??
8. 求方程
2213dy
x y dx
=-- 通过点(1,0) 的第二次近似解. 解: 令0()0x ?=,于是
221001
()[213()],x
x y x x dx x x ??=+--=-?
223452011133
()[213()],1025x x y x x dx x x x x x ??=+--=-+-+-?
9.求 的通解
解:方程可化为3
2
84dy y dx x dy y
dx ??+ ???= , 令dy p dx
=则有3284p y x yp +=(*),
(*)两边对y 求导得
322322(4)
(8)4dp
y p y p y p y p dy -+-=,
即
32(4)(2)0dp p y y
p dy --=,由20dp y p dy -=得12p cy =,即
2
()p y c =. 将y 代入(*)得
22
24c p x c =+, 即方程的 含参数形式的通解为:222
24()c p
x c p y c ?=+???
?=??,p 为参数;
又由
32
40p y -=得1
23
(4)p y =代入(*)得
3427y x
=也是方程的解 .
试求方程组x Ax '=的解(),t ? 12(0),η?ηη??==???? 并求expAt 10.若
解:特征方程
22
1
()690
1
4p λλλλλ--=
=-+=-,解得1,23λ=,此时 k=1,12n =。
12v ηηη??==????,
111123322120()()(3)()!i
t i t i t t t e A E e t i ηηηη?ηηηη=??+-+????
=-=??????+-+??????∑ 由公式expAt = 10()!i
n t
i
i t
e A E i λλ-=-∑ 得
32()480dy dy
xy y dx dx -+=2114A ??=??-??
[]33310111exp (3)01111t
t
t t t At e E t A E e t e t t ?-?-??????
=+-=+=????????--+????????
三、证明题
1. 若(),()t t Φψ是()X A t X '=的基解矩阵,求证:存在一个非奇异的常数矩阵C ,使得
()()t t C ψ=Φ.
证:()t Φ是基解矩阵,故1()t -Φ存在,令1()()()X t t t -=Φψ , 则()X t 可微且det ()0X t ≠,易知()()()t t X t ψ=Φ.
所以()()()()()t t X t t X t '''ψ=Φ+Φ()()()()()A t t X t t X t '=Φ+Φ()()()()A t t t X t '=ψ+Φ 而()()()t A t t 'ψ=ψ,所以()()0t X t 'Φ=, ()0,X t '=()X t C =(常数矩阵),故()()t t C ψ=Φ .
2. 设),()(0βα?≤≤x x x 是积分方程
]
,[,,
])([)(0200
βαξξξξ∈++=?x x d y y x y x
x
的皮卡逐步逼近函数序列)}({x n ?在],[βα上一致收敛所得的解,而)(x ψ是这积分方程在
],[βα上的连续解,试用逐步逼近法证明:在],[βα上)()(x x ?ψ≡.
证明:由题设,有?++≡x
x d y x 0
,])([)(20ξξξψξψ
,)(00y x =??∈++≡-x
x n n x x d y x 0
],[,,])([)(0120βαξξξ?ξ?,),2,1( =n .
下面只就区间β≤≤x x 0上讨论,对于0x x ≤≤α的讨论完全一样。
因为 ),()|||)(|(|)()(|0200
x x M d x x x
x -≤+≤-?ξξξψξ?ψ 其中
|}||)(|{max 2]
,[x x x M x +=∈ψβα,
所以0
2
21000|()()|(|()()|)()(),2!
x
x
x x ML
x x d L M x d x x ψ?ξψξ?ξξξξ-≤-≤-=
-??
其中}{max 2
],[x L x βα∈=, 设对正整数n 有n n n x x n ML x x )(!
|)()(|01
1-≤---?ψ,则有
2
1x
n n x
|(x )(x )|(|()()|)d ψφξψξφξξ--≤-?
,)(!)1()(!10010
+--+=-≤?n x
x n n
n x x n ML d x n ML L ξξ,
故由归纳法,对一切正整数k ,有
1110|()()|()()!!
k k k
k k ML ML x x x x k k ψ?βα----≤-≤-.
而上不等式的右边是收敛的正项级数的通项,故当k
→∞时,它0→,
因而函数序列)}({x n ?在β≤≤x x 0上一致收敛于)(x ψ.根据极限的唯一性, 即得
)()(x x ?ψ≡, β≤≤x x 0 . 3. 设
都是区间
上的连续函数, 且
是二阶线性方程
的一个基本解组. 试证明:
(i) 和 都只能有简单零点(即函数值与导函数值不能在一点同时为零); (ii) 和 没有共同的零点; (iii) 和 没有共同的零点. 证明:
和
的伏朗斯基行列式为
因
和
是基本解组, 故
.
若存在 , 使得
, 则由行列式性质可得
,
矛盾. 即
最多只能有简单零点. 同理对
有同样的性质, 故(i)得证.
若存在 , 使得
, 则由行列式性质可得
,
矛盾. 即
与
无共同零点. 故(ii)得证.
若存在
, 使得
, 则同样由行列式性质可得
, 矛盾.
即 与
无共同零点. 故(iii)得证.
4.试证:如果)(t ?是
AX dt
dX
=满足初始条件η?=)(0t 的解,
那么η?)(ex p )(0t t A t -= .证明:因为At t exp )(=Φ是AX dt
dX
=的基本解矩阵,)(t ?是其解,
所以存在常向量C 使得:(t )exp At C φ=?,
令0t t =,则:C At 0ex p =η, 所以 η10)(ex p -=At C ,
故 1000(t )exp At (exp At )exp At exp(At )exp A(t t )φηηη
-=?=?-=-