5 单选(4分) 方程{}(x-sin y)dy+tan ydx=0y(1)=(pi)/(6)y+(3)/(4)
A. $ 2x^{2}\sin y=\sin^{2}y+\frac{3}{4}$
B. $ 4x\sin y=\sin^{2}y+\frac{3}{4}$
C. $ 4x^{2}\sin y=\sin^{2}y+\frac{3}{4}$
D. $ 2x\sin y=\sin^{2}y+\frac{3}{4}$
题目解答
答案
解析
本题考查一阶线性微分方程的求解,核心思路是将原方程整理为标准形式后,利用积分因子法求解。关键在于:
- 识别方程类型:将原方程改写为关于$\frac{dx}{dy}$的一阶线性方程;
- 确定积分因子:通过计算$\mu(y) = \sin y$简化方程;
- 应用初始条件:代入$y(1) = \frac{\pi}{6}$确定常数$C$,最终得到特解。
方程整理与标准形式
原方程$(x - \sin y)dy + \tan y \, dx = 0$可变形为:
$\frac{dx}{dy} + \frac{x \cos y}{\sin y} = \cos y$
此为一阶线性微分方程的标准形式$\frac{dx}{dy} + P(y)x = Q(y)$,其中:
- $P(y) = \frac{\cos y}{\sin y}$
- $Q(y) = \cos y$
积分因子与通解
积分因子为:
$\mu(y) = \exp\left(\int \frac{\cos y}{\sin y} dy\right) = \sin y$
代入通解公式:
$x = \frac{1}{\sin y} \left( \int \cos y \sin y \, dy + C \right)$
计算积分$\int \cos y \sin y \, dy = \frac{1}{2} \sin^2 y + C$,得通解:
$x = \frac{1}{\sin y} \left( \frac{1}{2} \sin^2 y + C \right)$
应用初始条件
当$x=1$时,$y = \frac{\pi}{6}$,代入通解:
$1 = \frac{\frac{1}{2} \left(\frac{1}{2}\right)^2 + C}{\frac{1}{2}} \implies C = \frac{3}{8}$
整理得:
$x \sin y = \frac{1}{2} \sin^2 y + \frac{3}{8}$
两边乘以2,得到特解:
$2x \sin y = \sin^2 y + \frac{3}{4}$