题目
求微分方程 dfrac (dy)(dx)=2xy 的通解.
题目解答
答案
解析
本题考查可分离变量的微分方程的求解。解题思路是先判断方程类型,此方程为可分离变量的微分方程,然后通过分离变量,再对等式两边分别积分,最后求出通解。
详细解答
- 分离变量:
已知微分方程$\frac{dy}{dx}=2xy$,当$y\neq 0$时,将方程变形为$\frac{dy}{y}=2xdx$。这一步的原理是把含有$y$的项和$dy$放在等式一边,含有$x$的项和$dx$放在等式另一边,以便后续分别对两边进行积分。 - 两边积分:
对$\frac{dy}{y}=2xdx$两边同时积分,根据积分公式$\int\frac{1}{y}dy=\ln|y|$和$\int 2xdx = x^{2}+C$($C$为常数),可得$\int\frac{dy}{y}=\int 2xdx$,即$\ln|y|=x^{2}+\ln|C_{1}|$。这里$\ln|C_{1}|$是积分常数,为了后续计算方便,写成对数形式。 - 求解$y$:
由$\ln|y|=x^{2}+\ln|C_{1}|$,根据对数运算法则$\ln a+\ln b=\ln(ab)$,可将等式变形为$\ln|y|=\ln|C_{1}e^{x^{2}}|$。因为对数函数是单调的,所以$|y| = |C_{1}e^{x^{2}}|$,即$y = C_{1}e^{x^{2}}$,其中$C_{1}$为不为零的任意常数。 - 考虑特殊情况:
当$y = 0$时,代入原方程$\frac{dy}{dx}=2xy$,左边$\frac{dy}{dx}=0$,右边$2x\times0 = 0$,等式成立,所以$y = 0$也是原方程的解。 - 统一通解形式:
为了将$y = 0$和$y = C_{1}e^{x^{2}}$($C_{1}\neq 0$)统一表示,令$C$为任意常数,当$C = 0$时,$y = 0$;当$C\neq 0$时,$y = Ce^{x^{2}}$,所以原方程的通解为$y = Ce^{x^{2}}$($C$为任意常数)。