题目
17.(10分) 设可导函数f(x)满足f(x)cos x+2int_(0)^xf(t)sin tdt=x+1,求f(x).
17.(10分) 设可导函数f(x)满足$f(x)\cos x+2\int_{0}^{x}f(t)\sin tdt=x+1$,求f(x).
题目解答
答案
对原方程两边求导得: $f'(x) \cos x - f(x) \sin x + 2f(x) \sin x = 1 \implies f'(x) \cos x + f(x) \sin x = 1.$ 两边除以 $\cos x$: $f'(x) + f(x) \tan x = \sec x.$ 解一阶线性微分方程,得通解: $f(x) = \cos x \left[ \int \sec^2 x \, dx + C \right] = \sin x + C \cos x.$ 由 $f(0) = 1$,得 $C = 1$。 答案: $\boxed{\sin x + \cos x}$
解析
本题考查知识点为变上限积分求导以及一阶线性微分方程的求解。解题思路如下:
- 首先,对给定的方程$f(x)\cos x + 2\int_{0}^{x}f(t)\sin tdt = x + 1$两边求导。根据求导的加法法则$(u+v)^\prime=u^\prime+v^\prime$,以及乘积的求导法则$(uv)^\prime = u^\prime v+uv^\prime$和变上限积分求导公式$\frac{d}{dx}\int_{a}^{x}g(t)dt = g(x)$进行求导。
- 对$f(x)\cos x$求导,根据乘积求导法则可得$(f(x)\cos x)^\prime=f^\prime(x)\cos x - f(x)\sin x$。
- 对$2\int_{0}^{x}f(t)\sin tdt$求导,根据变上限积分求导公式可得$(2\int_{0}^{x}f(t)\sin tdt)^\prime = 2f(x)\sin x$。
- 方程右边$(x + 1)^\prime=1$。
- 所以求导后得到$f^\prime(x)\cos x - f(x)\sin x + 2f(x)\sin x = 1$,化简可得$f^\prime(x)\cos x + f(x)\sin x = 1$。
- 然后,将上式两边同时除以$\cos x$,将其化为一阶线性微分方程的标准形式$y^\prime + P(x)y = Q(x)$。
- 两边除以$\cos x$后得到$f^\prime(x) + f(x)\tan x = \sec x$,这里$P(x)=\tan x$,$Q(x)=\sec x$。
- 接着,求解一阶线性微分方程$f^\prime(x) + f(x)\tan x = \sec x$。
- 先求积分因子$\mu(x)=e^{\int P(x)dx}$,其中$\int P(x)dx=\int\tan xdx$,根据积分公式$\int\tan xdx=-\ln|\cos x|=\ln|\sec x|$,所以$\mu(x)=e^{\ln|\sec x|}=\sec x$。
- 方程两边同乘积分因子$\sec x$得$\sec x f^\prime(x) + \sec x\tan x f(x) = \sec^2 x$。
- 注意到左边$\sec x f^\prime(x) + \sec x\tan x f(x)=(\sec x f(x))^\prime$,则$(\sec x f(x))^\prime = \sec^2 x$。
- 两边积分可得$\sec x f(x)=\int\sec^2 xdx$,根据积分公式$\int\sec^2 xdx=\tan x + C$,所以$\sec x f(x)=\tan x + C$。
- 进而得到通解$f(x)=\cos x(\tan x + C)=\sin x + C\cos x$。
- 最后,确定常数$C$的值。
- 在原方程$f(x)\cos x + 2\int_{0}^{x}f(t)\sin tdt = x + 1$中,令$x = 0$,可得$f(0)\cos 0 + 2\int_{0}^{0}f(t)\sin tdt = 0 + 1$,即$f(0)=1$。
- 将$x = 0$,$f(0)=1$代入通解$f(x)=\sin x + C\cos x$中,得到$1=\sin 0 + C\cos 0$,即$C = 1$。