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数学
题目

求微分方程 (2x+y-4)dx+(x+y-1)dy=0 的通解.

题目解答

答案

解析

考查要点:本题主要考查将非齐次微分方程转化为齐次方程的方法,以及利用变量替换法求解齐次方程的能力。

解题核心思路:

  1. 识别方程类型:原方程属于可化为齐次方程的类型,需通过平移变换消除常数项。
  2. 确定平移量:通过解线性方程组找到平移量$h$和$k$,使方程转化为齐次形式。
  3. 变量替换:令$Y = uX$,将方程转化为关于$u$和$X$的可分离变量方程。
  4. 积分求解:分离变量后积分,回代变量得到通解。

破题关键点:

  • 平移变换:通过$h$和$k$消去原方程中的常数项。
  • 齐次方程识别:替换后方程需满足齐次方程的结构,即所有项为同次齐次式。
  • 变量替换技巧:通过$Y = uX$简化方程,分离变量后积分。

步骤1:确定平移量$h$和$k$

令$x = X + h$,$y = Y + k$,代入原方程:
$\begin{aligned}M &= 2(X + h) + (Y + k) - 4 = 2X + Y + (2h + k - 4), \\N &= (X + h) + (Y + k) - 1 = X + Y + (h + k - 1).\end{aligned}$
要求平移后方程中常数项为0,解方程组:
$\begin{cases}2h + k - 4 = 0, \\h + k - 1 = 0.\end{cases}$
解得$h = 3$,$k = -2$。

步骤2:变量替换与方程转化

令$x = X + 3$,$y = Y - 2$,原方程变为:
$(2X + Y) \, dX + (X + Y) \, dY = 0.$
整理为齐次方程形式:
$\frac{dX}{dY} = -\frac{2X + Y}{X + Y}.$

步骤3:变量替换$Y = uX$

令$Y = uX$,则$dY = u \, dX + X \, du$,代入方程得:
$\frac{dX}{dY} = -\frac{2 + u}{1 + u} \implies \frac{dX}{dY} = -\frac{2 + u}{1 + u}.$
分离变量:
$-\frac{1 + u}{u^2 + 2u + 2} \, du = \frac{dX}{X}.$

步骤4:积分求解

积分两边:
$-\int \frac{1 + u}{u^2 + 2u + 2} \, du = \int \frac{1}{X} \, dX.$
左边积分通过换元$t = u^2 + 2u + 2$,得:
$-\frac{1}{2} \ln|u^2 + 2u + 2| = \ln X + C.$
整理为:
$X^2 (u^2 + 2u + 2) = C.$

步骤5:回代变量并整理

将$u = \frac{Y}{X}$代入,得:
$Y^2 + 2XY + 2X^2 = C.$
回代$X = x - 3$,$Y = y + 2$,整理得通解:
$2x^2 + 2xy + y^2 - 8x - 2y = C.$

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