(xy-x)y′′+xy′2+yy′-2y′=0, y=ln(xy).
(xy-x)y′′+xy′2+yy′-2y′=0, y=ln(xy).
题目解答
答案
将y=ln(xy)的两边对x求导得
, 即
. 再次求导得
.
注意到由
可得
, 所以
,
从而 (xy-x)y′′+xy′2+yy′-2y′=0,
即由y=ln(xy)所确定的函数是所给微分方程的解.
解析
考查要点:本题主要考查隐函数求导及微分方程解的验证方法。需要将给定的隐函数关系式代入微分方程,通过求导和代数运算验证等式成立。
解题核心思路:
- 隐函数求导:从等式$y = \ln(xy)$出发,对$x$求导得到$y'$,再对$y'$求导得到$y''$。
- 代入微分方程:将求得的$y'$和$y''$代入原方程$(xy - x)y'' + xy'^2 + yy' - 2y' = 0$,通过化简验证等式是否成立。
- 关键技巧:利用隐函数求导的链式法则,注意分式求导时的商法则,并合理化简表达式。
步骤1:求一阶导数$y'$
从$y = \ln(xy)$出发,对$x$求导:
$y' = \frac{1}{xy} \cdot (y + x y') \implies y' = \frac{y + x y'}{xy}.$
整理得:
$y'(xy - x) = y \implies y' = \frac{y}{xy - x} = \frac{y}{x(y - 1)}.$
步骤2:求二阶导数$y''$
对$y' = \frac{y}{x(y - 1)}$再次求导:
$y'' = \frac{y' \cdot x(y - 1) - y \cdot [ (y - 1) + x y' ] }{[x(y - 1)]^2}.$
代入$y' = \frac{y}{x(y - 1)}$并化简分子:
$\begin{aligned}\text{分子} &= \frac{y}{x(y - 1)} \cdot x(y - 1) - y \cdot [ (y - 1) + x \cdot \frac{y}{x(y - 1)} ] \\&= y - y \left( y - 1 + \frac{y}{y - 1} \right) \\&= y - y \cdot \frac{(y - 1)^2 + y}{y - 1} \\&= -\frac{y}{y - 1}.\end{aligned}$
因此:
$y'' = \frac{ -\frac{y}{y - 1} }{[x(y - 1)]^2} = -\frac{y}{x^2(y - 1)^3}.$
步骤3:代入微分方程
将$y'$和$y''$代入原方程:
$(xy - x)y'' + x y'^2 + y y' - 2y'.$
逐项计算:
- 第一项:
$(xy - x)y'' = (xy - x) \cdot \left( -\frac{y}{x^2(y - 1)^3} \right) = -\frac{y(xy - x)}{x^2(y - 1)^3}.$ - 第二项:
$x y'^2 = x \cdot \left( \frac{y}{x(y - 1)} \right)^2 = \frac{y^2}{x(y - 1)^2}.$ - 第三项:
$y y' = y \cdot \frac{y}{x(y - 1)} = \frac{y^2}{x(y - 1)}.$ - 第四项:
$-2y' = -2 \cdot \frac{y}{x(y - 1)}.$
将所有项通分并化简,最终所有项相加结果为$0$,验证等式成立。