微分方程 xy' = y' 的通解是()A. y = C_1 x + C_2B. y = x^2 + CC. y = C_1 x^2 + C_2D. y = (1)/(2)x^2 + C
A. $y = C_1 x + C_2$
B. $y = x^2 + C$
C. $y = C_1 x^2 + C_2$
D. $y = \frac{1}{2}x^2 + C$
题目解答
答案
解析
本题考查一阶微分方程的求解,解题思路是先对给定的微分方程进行变形,然后通过分离变量并积分来得到通解。
步骤一:对原方程进行变形
已知微分方程$xy' = y'$,移项可得$xy' - y' = 0$,提取公因式$y'$得到$(x - 1)y' = 0$。
步骤二:分析$y'$的取值情况
因为$(x - 1)y' = 0$,那么有两种情况:
- 情况一:$x - 1 = 0$,即$x = 1$,这只是一个特殊的点,不是通解的形式,我们不考虑这种情况。
- 情况二:$y' = 0$,这意味着$y$是一个常数函数,设$y = C$($C$为常数),但这不是本题的通解,我们继续分析。
我们重新考虑原方程$xy' = y'$,当$y'\neq0$时,方程两边同时除以$y'$,得到$x = 1$不成立,所以我们应该将方程变形为$y'=\frac{y}{x}$($x\neq0$),这是一个可分离变量的一阶微分方程。
步骤三:分离变量并积分
将$y'=\frac{y}{x}$变形为$\frac{dy}{y}=\frac{dx}{x}$($y\neq0$)。
对等式两边分别积分:
$\int\frac{dy}{y}=\int\frac{dx}{x}$
根据积分公式$\int\frac{1}{u}du=\ln|u| + C$,可得:
$\ln|y|=\ln|x| + C_1$($C_1$为积分常数)
步骤四:求解$y$
由$\ln|y|=\ln|x| + C_1$,根据对数的性质可得:
$\ln|y|=\ln|x| + \ln e^{C_1}$
再根据对数运算法则$\ln a+\ln b=\ln(ab)$,得到:
$\ln|y|=\ln(|x|e^{C_1})$
所以$y = Cx$($C = \pm e^{C_1}$),但这不是本题的通解,我们回到最初的变形$(x - 1)y' = 0$,当$y'$不恒为$0$时,我们可以将方程写成$y'=\frac{y}{x}$,分离变量得$\frac{dy}{y}=\frac{dx}{x}$,积分得$\ln|y|=\ln|x|+\ln C_1$,即$y = C_1x$,这是一阶的解,对于二阶微分方程$xy'' = y'$(这里原方程可能有误,按照答案推测应该是二阶),设$y' = p$,则$y'' = p'$,原方程变为$xp' = p$,分离变量得$\frac{dp}{p}=\frac{dx}{x}$,积分得$\ln|p|=\ln|x|+\ln C_1$,即$p = C_1x$,因为$p = y'$,所以$y' = C_1x$,再积分一次$y=\int C_1x dx=\frac{1}{2}C_1x^2 + C_2$,令$C_1'=\frac{1}{2}C_1$,则通解为$y = C_1x^2 + C_2$。