4.给定一阶微分方程(dy)/(dx)=2x, (1)求出它的通解;(2)求通过点(1,4)的特解;(3)求出与直线y=2x+3相切的解;(4)求出满足条件int_(0)^1ydx=2的解;(5)绘出(2),(3),(4)中的解的图形
题目解答
答案
为了解决给定的一阶微分方程 $\frac{dy}{dx} = 2x$,我们将按照以下步骤进行:
(1) 求出它的通解
首先,我们对等式两边关于 $x$ 进行积分:
$\int \frac{dy}{dx} \, dx = \int 2x \, dx$
左边简化为 $y$,右边是 $x^2$ 加上一个积分常数 $C$:
$y = x^2 + C$
因此,微分方程的通解是:
$y = x^2 + C$
(2) 求通过点(1,4)的特解
为了找到通过点 $(1,4)$ 的特解,我们将 $x = 1$ 和 $y = 4$ 代入通解中:
$4 = 1^2 + C \implies 4 = 1 + C \implies C = 3$
因此,特解是:
$y = x^2 + 3$
(3) 求出与直线 $y = 2x + 3$ 相切的解
在切点处,解的斜率必须等于直线 $y = 2x + 3$ 的斜率,即 2。解 $y = x^2 + C$ 的斜率由其导数给出:
$\frac{dy}{dx} = 2x$
将导数设为 2,我们得到:
$2x = 2 \implies x = 1$
将 $x = 1$ 代入直线方程 $y = 2x + 3$ 中,找到对应的 $y$-坐标:
$y = 2 \cdot 1 + 3 = 5$
因此,切点是 $(1,5)$。现在,我们将 $x = 1$ 和 $y = 5$ 代入通解中:
$5 = 1^2 + C \implies 5 = 1 + C \implies C = 4$
因此,与直线相切的解是:
$y = x^2 + 4$
(4) 求出满足条件 $\int_{0}^{1} y \, dx = 2$ 的解
首先,我们从 $0$ 到 $1$ 积分通解 $y = x^2 + C$:
$\int_{0}^{1} (x^2 + C) \, dx = \left[ \frac{x^3}{3} + Cx \right]_{0}^{1} = \left( \frac{1^3}{3} + C \cdot 1 \right) - \left( \frac{0^3}{3} + C \cdot 0 \right) = \frac{1}{3} + C$
我们将这个结果设为 2:
$\frac{1}{3} + C = 2 \implies C = 2 - \frac{1}{3} = \frac{5}{3}$
因此,满足条件的解是:
$y = x^2 + \frac{5}{3}$
(5) 绘出(2),(3),(4)中的解的图形
(2)中的解是 $y = x^2 + 3$,(3)中的解是 $y = x^2 + 4$,(4)中的解是 $y = x^2 + \frac{5}{3}$。这些是开口向上的抛物线,具有不同的 $y$-截距。
最终答案是:
$\boxed{\begin{array}{ll}\text{(1) 通解:} & y = x^2 + C \\\text{(2) 特解:} & y = x^2 + 3 \\\text{(3) 与直线相切的解:} & y = x^2 + 4 \\\text{(4) 满足条件的解:} & y = x^2 + \frac{5}{3} \\\end{array}}$