题目
在xoy坐标平面上,连续曲线L过点M(1,0),其上任意点P(x,y)(x≠0)处的切线斜率与直线OP的斜率之差等于ax(常数a>0).求L的方程;
在xoy坐标平面上,连续曲线L过点M(1,0),其上任意点P(x,y)(x≠0)处的切线斜率与直线OP的斜率之差等于ax(常数a>0).求L的方程;
题目解答
答案
设L的方程为y=y(x),因L过点M(1,0),故y(1)=0,L上点P(x,y)处切线的斜率k=y’(x),直线OP的斜率[*].由题设知 k-k1=ax 即 [*] 求L的方程y=y(x)即求解一阶微分方程的初值问题 [*] 这是一阶线性非齐次方程,用积分因子法求解,方程两边乘[*]得 [*] 积分得 [*] 由初值y(1)=0得C=-a. 因此曲线L的方程为y=ax(x-1)
解析
本题考查一阶线性非齐次微分方程的求解,解题思路如下:
- 首先根据题目条件建立曲线$L$所满足的微分方程。已知曲线$L$上任意点$P(x,y)(x\neq0)$处的切线斜率为$y^\prime(x)$,直线$OP$的斜率为$\frac{y}{x}$,又因为切线斜率与直线$OP$的斜率之差等于$ax$(常数$a\gt0$),所以可得到微分方程$y^\prime - \frac{1}{x}y = ax$。
- 由于曲线$L$过点$M(1,0)$,所以有初始条件$y(1)=0$,这样就构成了一阶线性非齐次微分方程的初值问题$\begin{cases}y^\prime - \frac{1}{x}y = ax\\y(1)=0\end{cases}$。
- 对于一阶线性非齐次方程$y^\prime + P(x)y = Q(x)$(这里$P(x)=-\frac{1}{x}$,$Q(x)=ax$),使用积分因子法求解。积分因子$\mu(x)=e^{\int P(x)dx}$,计算$\int P(x)dx=\int -\frac{1}{x}dx=-\ln|x|$,则$\mu(x)=e^{-\ln|x|}=\frac{1}{x}$。
- 方程两边同乘积分因子$\frac{1}{x}$,得到$\frac{1}{x}y^\prime - \frac{1}{x^2}y = a$。
- 观察发现方程左边$\frac{1}{x}y^\prime - \frac{1}{x^2}y = (\frac{y}{x})^\prime$,所以原方程可化为$(\frac{y}{x})^\prime = a$。
- 对$(\frac{y}{x})^\prime = a$两边进行积分,根据积分公式$\int kdx=kx + C$($k$为常数),可得$\frac{y}{x}=ax + C$,进一步变形为$y = ax^2 + Cx$。
- 最后利用初始条件$y(1)=0$,将$x = 1$,$y = 0$代入$y = ax^2 + Cx$中,得到$0 = a\times1^2 + C\times1$,即$a + C = 0$,解得$C = -a$。
- 把$C = -a$代入$y = ax^2 + Cx$,得到曲线$L$的方程为$y = ax^2 - ax = ax(x - 1)$。