5.已知y=(x)/(ln x)是微分方程y^prime=(y)/(x)+varphi((y)/(x))的解,则varphi((y)/(x))的表达式为()A. -(y^2)/(x^2)B. (y^2)/(x^2)C. -(x^2)/(y^2)D. (x^2)/(y^2)
A. $-\frac{y^{2}}{x^{2}}$
B. $\frac{y^{2}}{x^{2}}$
C. $-\frac{x^{2}}{y^{2}}$
D. $\frac{x^{2}}{y^{2}}$
题目解答
答案
解析
本题考查知识点为微分方程的解的概念以及求导运算。解题思路是先对已知函数$y = \frac{x}{\ln x}$求导,得到$y'$的表达式,再将$y$和$y'$代入给定的微分方程$y^{\prime}=\frac{y}{x}+\varphi(\frac{y}{x})$中,通过化简求出$\varphi(\frac{y}{x})$的表达式。
步骤一:对$y = \frac{x}{\ln x}$求导
根据除法求导公式$(\frac{u}{v})^\prime=\frac{u^\prime v - uv^\prime}{v^2}$,其中$u = x$,$v = \ln x$。
对$u$求导,$u^\prime=(x)^\prime = 1$;对$v$求导,$v^\prime = (\ln x)^\prime=\frac{1}{x}$。
则$y^\prime=\frac{1\times\ln x - x\times\frac{1}{x}}{(\ln x)^2}=\frac{\ln x - 1}{(\ln x)^2}$。
步骤二:计算$\frac{y}{x}$
将$y = \frac{x}{\ln x}$代入$\frac{y}{x}$,可得$\frac{y}{x}=\frac{\frac{x}{\ln x}}{x}=\frac{1}{\ln x}$。
步骤三:将$y$、$y'$和$\frac{y}{x}$代入微分方程
把$y = \frac{x}{\ln x}$,$y^\prime=\frac{\ln x - 1}{(\ln x)^2}$,$\frac{y}{x}=\frac{1}{\ln x}$代入$y^{\prime}=\frac{y}{x}+\varphi(\frac{y}{x})$中,得到:
$\frac{\ln x - 1}{(\ln x)^2}=\frac{1}{\ln x}+\varphi(\frac{1}{\ln x})$。
步骤四:求解$\varphi(\frac{y}{x})$
移项可得$\varphi(\frac{1}{\ln x})=\frac{\ln x - 1}{(\ln x)^2}-\frac{1}{\ln x}$,通分:
$\varphi(\frac{1}{\ln x})=\frac{\ln x - 1 - \ln x}{(\ln x)^2}=-\frac{1}{(\ln x)^2}$。
因为$\frac{y}{x}=\frac{1}{\ln x}$,所以$\varphi(\frac{y}{x})=-\frac{1}{(\frac{y}{x})^2}=-\frac{x^{2}}{y^{2}}$。