一个曲线族由微分方程 xy dydx=x2+y2xy\,\frac{dy}{dx} = x^{2} + y^{2} 定义。

  1. 通过代换 y=uxy = ux(其中 uu 是 xx 的函数),求出该曲线族的表达式,并写成 y2=f(x)y^{2} = f(x) 的形式。

  2. 已知该曲线族中的一条曲线通过点 (1,2)(1, 2),求其特解曲线的表达式,并指出当 y=3y = 3 时 xx 的值。

先不看答案,让 AI 诊断你卡在哪里?

它不会直接告诉你答案,而是问你卡在哪一步看看 AI 是怎么陪你一步步弄懂这道题的

完整解法

5[0]

1. Differentiate the given substitution $y = ux$ with respect to $x$.

dydx=u+xdudx\frac{dy}{dx} = u + x\frac{du}{dx}

2. Substitute $y$ and $\frac{dy}{dx}$ into the given differential equation and expand.

x(ux)(u+xdudx)=x2+(ux)2x(ux)\left(u + x\frac{du}{dx}\right) = x^2 + (ux)^2
u2x2+ux3dudx=x2+u2x2u^2x^2 + ux^3\frac{du}{dx} = x^2 + u^2x^2

3. Simplify to isolate the derivatives and separate the variables.

ux3dudx=x2ux^3\frac{du}{dx} = x^2
ududx=1xu\frac{du}{dx} = \frac{1}{x}

4. Integrate both sides with respect to $x$.

∫u du=∫1x dx\int u \, du = \int \frac{1}{x} \, dx
12u2=ln⁡∣x∣+C\frac{1}{2}u^2 = \ln |x| + C

5. Substitute $u = \frac{y}{x}$ back into the equation and express it in the form $y^2 = f(x)$.

12(yx)2=ln⁡∣x∣+C\frac{1}{2}\left(\frac{y}{x}\right)^2 = \ln |x| + C
y2x2=2ln⁡∣x∣+2C\frac{y^2}{x^2} = 2\ln |x| + 2C
y2=x2(2ln⁡∣x∣+A)where A=2Cy^2 = x^2(2\ln |x| + A) \quad \text{where } A = 2C

答案

y2=x2(2ln⁡∣x∣+A)y^2 = x^2(2\ln |x| + A)

5[1]

1. Derive the general solution for the family of curves (from the previous part).

Let y=uxy = ux, then dydx=u+xdudx\frac{dy}{dx} = u + x\frac{du}{dx}.
Substitute into xydydx=x2+y2xy\frac{dy}{dx} = x^2 + y^2:
x(ux)(u+xdudx)=x2+(ux)2x(ux)\left(u + x\frac{du}{dx}\right) = x^2 + (ux)^2
u2x2+ux3dudx=x2(1+u2)u^2x^2 + ux^3\frac{du}{dx} = x^2(1 + u^2)
uxdudx=1  ⟹  ududx=1xux\frac{du}{dx} = 1 \implies u\frac{du}{dx} = \frac{1}{x}
Integrating both sides:
∫u du=∫1x dx\int u \, du = \int \frac{1}{x} \, dx
12u2=ln⁡∣x∣+c\frac{1}{2}u^2 = \ln|x| + c
12(yx)2=ln⁡∣x∣+c  ⟹  y2=2x2ln⁡∣x∣+Cx2\frac{1}{2}\left(\frac{y}{x}\right)^2 = \ln|x| + c \implies y^2 = 2x^2\ln|x| + Cx^2

2. Use the given point to find the particular solution.

Substitute x=1,y=2x = 1, y = 2 into the general solution:
22=2(1)2ln⁡∣1∣+C(1)22^2 = 2(1)^2\ln|1| + C(1)^2
4=0+C  ⟹  C=44 = 0 + C \implies C = 4
The particular solution curve is:
y2=2x2ln⁡∣x∣+4x2y^2 = 2x^2\ln|x| + 4x^2

3. Find the values of x when y = 3.

Substitute y=3y = 3 into the particular solution:
32=2x2ln⁡∣x∣+4x23^2 = 2x^2\ln|x| + 4x^2
2x2ln⁡∣x∣+4x2−9=02x^2\ln|x| + 4x^2 - 9 = 0
Using a graphing calculator to solve for xx:
x≈1.39 or x≈−1.39 (to 3 s.f.)x \approx 1.39 \text{ or } x \approx -1.39 \text{ (to 3 s.f.)}

答案

Particular solution: y2=2x2ln⁡∣x∣+4x2y^2 = 2x^2\ln|x| + 4x^2

Values of xx: x=−1.39,1.39x = -1.39, 1.39

AI 分析,可能出错

用 AI 批改,圈出写错的那一步,并自动将你的薄弱点存入错题本,形成你的错因库。

同一知识点的其他题

  1. 1曲线上的点 (x,y)(x,y) 满足方程 x=12t2−2tx = \tfrac{1}{2}t^2 - 2t 和 dydx=12t−1\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{1}{2t - 1} 其中 tt 为参数,t>2t > 2。 已知当 t=4t = 4…
  2. 2在一个大城镇中,首次发现某种病毒 tt 天后感染该病毒的人数为 xx。假设感染率与 xx 成正比。起初有 5 人感染该病毒,而在首次发现病毒 30 天后,有 5120 人感染该病毒。 在发现病毒 30 天后,人们发现了该病毒的治疗方法…
  3. 3考虑二阶微分方程 d2xdt2+adxdt=b,\frac{d^{2}x}{dt^{2}} + a\frac{dx}{dt} = b, where aa and bb are non-zero constants and dxdt≠ba\frac{dx}{dt} \ne \dfrac{b}{a}…
  4. 4一杯刚泡好的茶,初始温度为 85∘C85^\circ\text{C},被放在一间室温为 25∘C25^\circ\text{C} 的房间里冷却。20分钟后,茶的温度为 55∘C55^\circ\text{C}。已知茶温的变化率与茶温与室温之差成正比。…
  5. 5在一个大城镇中,在首次发现某种病毒 tt 天后,感染该病毒的人数为 xx。假设感染率与 xx 成正比。起初有 5 人感染该病毒,在首次发现该病毒 30 天后,有 5120 人感染。 证明 x=5(2)t3x = 5(2)^{\frac{t}{3}}…