微分方程xy'+y-e^x=0满足初始条件y|_(x=1)=0特解是A. y=xln xB. y=x(e^x-e)C. y=(1)/(x)ln xD. y=(1)/(x)(e^x-e)
A. $y=x\ln x$
B. $y=x(e^x-e)$
C. $y=\frac{1}{x}\ln x$
D. $y=\frac{1}{x}(e^x-e)$
题目解答
答案
解析
本题考查一阶线性微分方程的求解,解题思路是先将给定的微分方程化为一阶线性微分方程的标准形式,然后利用一阶线性微分方程的通解公式求出通解,最后将初始条件代入通解求出特解。
步骤一:将原方程化为一阶线性微分方程的标准形式
已知微分方程$xy'+y - e^x = 0$,将其变形为$y'+\frac{1}{x}y=\frac{e^x}{x}$。
此时方程为一阶线性微分方程的标准形式$y'+P(x)y=Q(x)$,其中$P(x)=\frac{1}{x}$,$Q(x)=\frac{e^x}{x}$。
步骤二:求一阶线性微分方程的通解
根据一阶线性微分方程的通解公式$y=e^{-\int P(x)dx}(\int Q(x)e^{\int P(x)dx}dx+C)$,先计算$e^{\int P(x)dx}$和$e^{-\int P(x)dx}$:
- 计算$\int P(x)dx$:
$\int P(x)dx=\int\frac{1}{x}dx=\ln|x|$ - 计算$e^{\int P(x)dx}$:
$e^{\int P(x)dx}=e^{\ln|x|}=x$ - 计算$e^{-\int P(x)dx}$:
$e^{-\int P(x)dx}=e^{-\ln|x|}=\frac{1}{x}$
将$e^{\int P(x)dx}=x$,$e^{-\int P(x)dx}=\frac{1}{x}$,$Q(x)=\frac{e^x}{x}$代入通解公式可得:
$\begin{align*}y&=\frac{1}{x}(\int\frac{e^x}{x}\cdot xdx+C)\\&=\frac{1}{x}(\int e^xdx+C)\\&=\frac{1}{x}(e^x+C)\end{align*}$
步骤三:求特解
已知初始条件$y|_{x = 1} = 0$,将$x = 1$,$y = 0$代入通解$y=\frac{1}{x}(e^x+C)$中,可得:
$0=\frac{1}{1}(e^1+C)$
即$e + C = 0$,解得$C = -e$。
将$C = -e$代入通解$y=\frac{1}{x}(e^x+C)$中,得到特解为$y=\frac{1}{x}(e^x - e)$。