题目
微分方程 xy'' + y' = 0 的通解为().A. y = C_1 ln x + C_2B. y = C_1 ln |x| + C_2C. y = C_1 x + C_2D. y = (C_1)/(x) + C_2
微分方程 $xy'' + y' = 0$ 的通解为().
A. $y = C_1 \ln x + C_2$
B. $y = C_1 \ln |x| + C_2$
C. $y = C_1 x + C_2$
D. $y = \frac{C_1}{x} + C_2$
题目解答
答案
B. $y = C_1 \ln |x| + C_2$
解析
本题考查可降阶的二阶微分方程的求解。解题思路是通过换元法将二阶微分方程降为一阶微分方程,然后求解一阶微分方程,最后再积分得到原方程的通解。
- 令$y' = p$,将二阶微分方程降为一阶微分方程:
对$y' = p$两边关于$x$求导,根据求导公式$(p)^\prime=\frac{dp}{dx}$,可得$y'' = \frac{dp}{dx}$。
将$y' = p$和$y'' = \frac{dp}{dx}$代入原方程$xy'' + y' = 0$,得到$x\frac{dp}{dx} + p = 0$。 - 求解一阶微分方程$x\frac{dp}{dx} + p = 0$:
对$x\frac{dp}{dx} + p = 0$进行变形,移项可得$x\frac{dp}{dx} = -p$。
然后将变量分离,得到$\frac{dp}{p}=-\frac{dx}{x}$。
两边同时积分:
$\int\frac{dp}{p}=-\int\frac{dx}{x}$
根据积分公式$\int\frac{1}{u}du=\ln|u| + C$,可得$\ln|p| = -\ln|x| + C_1$。
为了方便后续计算,将$C_1$写成$\ln|C_1|$($C_1\neq0$),则$\ln|p| = -\ln|x| + \ln|C_1|$。
根据对数运算法则$\ln a - \ln b = \ln\frac{a}{b}$,可得$\ln|p| = \ln\frac{|C_1|}{|x|}$,所以$p = \frac{C_1}{x}$($C_1$为任意常数)。 - 由$p = y'$,求解$y$:
因为$p = y'$,所以$y' = \frac{C_1}{x}$。
两边同时积分:
$y = \int\frac{C_1}{x}dx$
根据积分公式$\int\frac{1}{x}dx=\ln|x| + C$,可得$y = C_1\ln|x| + C_2$($C_1,C_2$为任意常数)。