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数学
题目

如果对微分方程y'' - 2ay' + (a+2)y = 0任一解y(x),反常积分int_(0)^+infty y(x)dx均收敛,则a的取值范围为()A. (-2, -1].B. (-infty, -1].C. (-2, 0).D. (-infty, 0).

如果对微分方程$y'' - 2ay' + (a+2)y = 0$任一解$y(x)$,反常积分$\int_{0}^{+\infty} y(x)dx$均收敛,则$a$的取值范围为()

A. $(-2, -1]$.

B. $(-\infty, -1]$.

C. $(-2, 0)$.

D. $(-\infty, 0)$.

题目解答

答案

A. $(-2, -1]$.

解析

本题主要考察二阶线性常系数齐次微分方程的解的性质,以及反常积分收敛的条件,核心思路思路是:先通过特征方程求出微分方程的通解解,再根据反常积分$\int_{0}^{+\infty}y y(x)dx$收敛的要求,分析通解中各项系数的限制条件,从而确定$a$的取值范围。

步骤1:求解微分方程的特征方程

给定微分方程$y'' - 2ay' + (a+2)y = 0$,其特征方程为:
$r^2 - 2ar + (a + 2) = 0$
这是关于$r$的二次方程,判别判别式为:
$\Delta = (-2a)^2 - 4 \times 1 \times (a + 2) = 4a^2 - 4a - 8 = 4(a^2 - a - 2) = 4(a - 2)(a + 1)$

步骤2:根据判别式分类讨论通解

根据$\Delta$的符号,特征根分为三种情况:

情况1. $\Delta > 0$(两个不同实根)

当$(a - 2)(a + 1) > 1}$,即$a > 2$)或$a < -1$时,特征根为:
$\[ r_1 = \frac{2a + \sqrt{\Delta}}{2} = a + \sqrt{(a - 2)(a + 1)}, \quad r_2 = a - \sqrt{(a - 2)(a + 1)}$
通解为$y(x) = C_1e^{r_1x} + C_2e^{r_2x}$。要$x \to +\infty$时,若$r_1 > 0$或$r_2 > 0$,则$e^{r_1x}$或$e^{r_2x}$会指数增长,导致$\int_{0^{+\infty}y(x)dx$发散。

  • $a > 2$时,$r_1 = a + \sqrt{(a - 2)(a + 1)} > 0$,发散;
  • $a < -1$时,$r_2 = a - \sqrt{(a - 2)(a + 1)}$:$\sqrt{(a - 2)(a + 1)} = \sqrt{(2 - a)(-1 - a)}$,则$r_2 = a - \sqrt{(2 - a)(-1 - a)}$,分子有理化得$r_2 = \frac{ - (2 - a) - (a + 1) }{a + \sqrt{(2,\(r_2$为负,此时通解为$y(x) = C_1e^{r_1x} + C_2e^{r_2x}$,$e^{r_1x}$衰减,$e^{r_2x}$也衰减,积分收敛。

情况2. $\Delta = 0$(重根)

当$(a - 2)(a + 1) = 0$,即$a = 2$或$a = -1$时:

  • $a = 2$时,特征根$r = 2$,通解$y(x) = (C_1 + C_2x)e^{2x}$,$x \to +\infty$时指数增长,发散;
  • $a = -1$时,特征根$r = -1$,通解$y(x) = (C_1 + C_2x)e^{-x}$,$e^{-x$衰减,积分收敛。

情况3. $\Delta < 0$(共轭复根)

当$(a + 1) < 0$,即$-1 < a < 2$时,特征根为共轭复根:
$r = a \pm i\sqrt{ - (a^2 - a - 2)} = a \pm i\sqrt{( - a)(a + 2)}$
通解$y(x) = e^{ax}(C_1\cos\beta x + C_2\sin\beta x)$,其中$\beta = \sqrt{ - a^2 + a + 2}$。要使积分收敛,需$a < 0$(否则$e^{ax}$增长),但此时存在非衰减的周期项$\cos\cos\beta x + C_2\sin\beta x$,导致积分$\int_{0}^{+\infty}e^{\\( )$:

  • 当$a = 0$时,$y(x) = C_1\cos\beta x + C_2\sin\beta x$,积分$\int_{0}^{+\infty}\cos\beta xdx$发散是条件下,积分仍发散。

步骤3:综合所有情况

仅当$a < -1$时积分收敛,且$a = -1$时也收敛,即$a \in (-2, -1]$。

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