题目
3.(1)求二阶偏微分方程 dfrac ({partial )^2z}(partial xpartial y)=(x)^2y 的通解,(2)求该方程满足定解条件-|||-(x,0)=(x)^2, (1,y)=cos y 的特解.

题目解答
答案

解析
步骤 1:求解通解
首先,我们对给定的偏微分方程 $\dfrac {{\partial }^{2}z}{\partial x\partial y}={x}^{2}y$ 进行积分。首先对 $y$ 积分,得到:
$$
\dfrac {\partial z}{\partial x} = \int {x}^{2}y \, dy = \dfrac{1}{2}x^2y^2 + \varphi(x)
$$
其中,$\varphi(x)$ 是关于 $x$ 的任意函数,因为对 $y$ 积分时,$x$ 被视为常数。
步骤 2:求解 $z(x,y)$
接下来,对上式关于 $x$ 积分,得到:
$$
z(x,y) = \int \left(\dfrac{1}{2}x^2y^2 + \varphi(x)\right) \, dx = \dfrac{1}{6}x^3y^2 + \int \varphi(x) \, dx + \psi(y)
$$
其中,$\psi(y)$ 是关于 $y$ 的任意函数,因为对 $x$ 积分时,$y$ 被视为常数。因此,通解为:
$$
z(x,y) = \dfrac{1}{6}x^3y^2 + \int \varphi(x) \, dx + \psi(y)
$$
步骤 3:求解特解
根据定解条件 $z(x,0)={x}^{2}$,代入通解中,得到:
$$
z(x,0) = \dfrac{1}{6}x^3 \cdot 0^2 + \int \varphi(x) \, dx + \psi(0) = {x}^{2}
$$
因此,$\int \varphi(x) \, dx = {x}^{2} - \psi(0)$。再根据定解条件 $z(1,y)=\cos y$,代入通解中,得到:
$$
z(1,y) = \dfrac{1}{6} \cdot 1^3 \cdot y^2 + \int \varphi(1) \, dx + \psi(y) = \cos y
$$
因此,$\psi(y) = \cos y - \dfrac{1}{6}y^2 - \int \varphi(1) \, dx$。将 $\int \varphi(x) \, dx$ 和 $\psi(y)$ 代入通解中,得到特解:
$$
z(x,y) = \dfrac{1}{6}x^3y^2 + {x}^{2} - \psi(0) + \cos y - \dfrac{1}{6}y^2 - \int \varphi(1) \, dx
$$
由于 $\psi(0)$ 和 $\int \varphi(1) \, dx$ 是常数,可以合并为一个常数 $C$,因此特解为:
$$
z(x,y) = \dfrac{1}{6}x^3y^2 + {x}^{2} + \cos y - \dfrac{1}{6}y^2 + C
$$
首先,我们对给定的偏微分方程 $\dfrac {{\partial }^{2}z}{\partial x\partial y}={x}^{2}y$ 进行积分。首先对 $y$ 积分,得到:
$$
\dfrac {\partial z}{\partial x} = \int {x}^{2}y \, dy = \dfrac{1}{2}x^2y^2 + \varphi(x)
$$
其中,$\varphi(x)$ 是关于 $x$ 的任意函数,因为对 $y$ 积分时,$x$ 被视为常数。
步骤 2:求解 $z(x,y)$
接下来,对上式关于 $x$ 积分,得到:
$$
z(x,y) = \int \left(\dfrac{1}{2}x^2y^2 + \varphi(x)\right) \, dx = \dfrac{1}{6}x^3y^2 + \int \varphi(x) \, dx + \psi(y)
$$
其中,$\psi(y)$ 是关于 $y$ 的任意函数,因为对 $x$ 积分时,$y$ 被视为常数。因此,通解为:
$$
z(x,y) = \dfrac{1}{6}x^3y^2 + \int \varphi(x) \, dx + \psi(y)
$$
步骤 3:求解特解
根据定解条件 $z(x,0)={x}^{2}$,代入通解中,得到:
$$
z(x,0) = \dfrac{1}{6}x^3 \cdot 0^2 + \int \varphi(x) \, dx + \psi(0) = {x}^{2}
$$
因此,$\int \varphi(x) \, dx = {x}^{2} - \psi(0)$。再根据定解条件 $z(1,y)=\cos y$,代入通解中,得到:
$$
z(1,y) = \dfrac{1}{6} \cdot 1^3 \cdot y^2 + \int \varphi(1) \, dx + \psi(y) = \cos y
$$
因此,$\psi(y) = \cos y - \dfrac{1}{6}y^2 - \int \varphi(1) \, dx$。将 $\int \varphi(x) \, dx$ 和 $\psi(y)$ 代入通解中,得到特解:
$$
z(x,y) = \dfrac{1}{6}x^3y^2 + {x}^{2} - \psi(0) + \cos y - \dfrac{1}{6}y^2 - \int \varphi(1) \, dx
$$
由于 $\psi(0)$ 和 $\int \varphi(1) \, dx$ 是常数,可以合并为一个常数 $C$,因此特解为:
$$
z(x,y) = \dfrac{1}{6}x^3y^2 + {x}^{2} + \cos y - \dfrac{1}{6}y^2 + C
$$