题目
8.方程xlnx dy+(y-ln x) dx=0满足初始条件y|_(x=e)=1的特解为____.
8.方程$xlnx dy+(y-ln x) dx=0$满足初始条件$y|_{x=e}=1$的特解为____.
题目解答
答案
为了解方程 $x \ln x \, dy + (y - \ln x) \, dx = 0$ 并满足初始条件 $y|_{x=e} = 1$,我们将按照以下步骤进行:
1. **将方程重写为标准形式:**
给定的方程是:
\[
x \ln x \, dy + (y - \ln x) \, dx = 0
\]
我们可以重新排列它以隔离 $dy$:
\[
x \ln x \, dy = - (y - \ln x) \, dx
\]
将两边除以 $dx$,我们得到:
\[
x \ln x \frac{dy}{dx} = - (y - \ln x)
\]
或者等价地:
\[
\frac{dy}{dx} + \frac{y}{x \ln x} = \frac{\ln x}{x \ln x}
\]
简化右边,我们有:
\[
\frac{dy}{dx} + \frac{y}{x \ln x} = \frac{1}{x}
\]
这是一个一阶线性微分方程,形式为:
\[
\frac{dy}{dx} + P(x) y = Q(x)
\]
其中 $P(x) = \frac{1}{x \ln x}$ 和 $Q(x) = \frac{1}{x}$。
2. **找到积分因子:**
一阶线性微分方程的积分因子 $\mu(x)$ 由下式给出:
\[
\mu(x) = e^{\int P(x) \, dx}
\]
这里,$P(x) = \frac{1}{x \ln x}$,所以:
\[
\mu(x) = e^{\int \frac{1}{x \ln x} \, dx}
\]
为了解积分 $\int \frac{1}{x \ln x} \, dx$,我们使用代换 $u = \ln x$,因此 $du = \frac{1}{x} \, dx$。那么积分变为:
\[
\int \frac{1}{x \ln x} \, dx = \int \frac{1}{u} \, du = \ln |u| = \ln |\ln x|
\]
因此,积分因子是:
\[
\mu(x) = e^{\ln |\ln x|} = \ln x
\]
3. **将微分方程乘以积分因子:**
将方程 $\frac{dy}{dx} + \frac{y}{x \ln x} = \frac{1}{x}$ 乘以 $\ln x$,我们得到:
\[
\ln x \frac{dy}{dx} + \frac{y}{x} = \frac{\ln x}{x}
\]
左边是乘积 $y \ln x$ 的导数:
\[
\frac{d}{dx} (y \ln x) = \ln x \frac{dy}{dx} + \frac{y}{x}
\]
所以方程变为:
\[
\frac{d}{dx} (y \ln x) = \frac{\ln x}{x}
\]
4. **对两边进行积分:**
对 $x$ 积分两边,我们得到:
\[
y \ln x = \int \frac{\ln x}{x} \, dx
\]
再次使用代换 $u = \ln x$,因此 $du = \frac{1}{x} \, dx$,积分变为:
\[
\int \frac{\ln x}{x} \, dx = \int u \, du = \frac{u^2}{2} = \frac{(\ln x)^2}{2} + C
\]
因此,我们有:
\[
y \ln x = \frac{(\ln x)^2}{2} + C
\]
解出 $y$,我们得到:
\[
y = \frac{\ln x}{2} + \frac{C}{\ln x}
\]
5. **应用初始条件:**
初始条件是 $y|_{x=e} = 1$。将 $x = e$ 和 $y = 1$ 代入解中,我们得到:
\[
1 = \frac{\ln e}{2} + \frac{C}{\ln e} = \frac{1}{2} + C
\]
解出 $C$,我们得到:
\[
C = \frac{1}{2}
\]
因此,特解是:
\[
y = \frac{\ln x}{2} + \frac{1}{2 \ln x}
\]
或者等价地:
\[
y = \frac{\ln x}{2} + \frac{1}{2 \ln x}
\]
最终答案是:
\[
\boxed{y \ln x = \frac{1}{2} \ln^2 x + \frac{1}{2}}
\]