通过引入代换 w=yt2w=\dfrac{y}{t^{2}},证明微分方程 tdwdt=w ⁣ 2t2+2wt−2wt\dfrac{dw}{dt}=w\!\,^{2}t^{2}+2wt-2w 的通解为 w=1t2(2Ae2t1−Ae2t)w=\dfrac{1}{t^{2}}\left(\dfrac{2Ae^{2t}}{1-Ae^{2t}}\right)。 在同一张图上,分别画出对应于 A=0A=0 和 A>0A>0 的两条解曲线。

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完整解法

12((ii))

1. Find the curve for A = 0

Putting A=0A=0 into w=1t2(2Ae2t1−Ae2t)w=\dfrac{1}{t^{2}}\left(\dfrac{2Ae^{2t}}{1-Ae^{2t}}\right) gives w=1t2(01)=0w=\dfrac{1}{t^{2}}\left(\dfrac{0}{1}\right)=0.

So this solution curve is simply the horizontal line w=0w=0 (the tt-axis).

2. Identify features of the A > 0 curve and sketch both

For A>0A>0, the denominator vanishes when 1−Ae2t=01-Ae^{2t}=0, i.e. at t=−12ln⁡At=-\tfrac{1}{2}\ln A, giving a vertical asymptote there.

Limiting behaviour: as t→−∞t\to-\infty, e2t→0e^{2t}\to0 so w→0+w\to0^{+}; as t→+∞t\to+\infty, 2Ae2t1−Ae2t→−1\dfrac{2Ae^{2t}}{1-Ae^{2t}}\to-1 so w→0−w\to0^{-}. Hence w=0w=0 is a horizontal asymptote at both ends.

Sign: w>0w>0 for t<−12ln⁡At<-\tfrac12\ln A (rising steeply to +∞+\infty at the asymptote) and w<0w<0 for t>−12ln⁡At>-\tfrac12\ln A (rising from −∞-\infty back up towards 0−0^{-}).

Sketch both on one ww–tt diagram: the straight line w=0w=0 for A=0A=0, and the two-branch curve with the vertical asymptote at t=−12ln⁡At=-\tfrac12\ln A for A>0A>0.

答案

Two curves drawn on the same ww–tt axes:

  • For A=0A=0: w=1t2(01−0)=0w=\dfrac{1}{t^{2}}\left(\dfrac{0}{1-0}\right)=0, i.e. the curve is the tt-axis (w=0w=0, a horizontal straight line).

  • For A>0A>0: w=1t2(2Ae2t1−Ae2t)w=\dfrac{1}{t^{2}}\left(\dfrac{2Ae^{2t}}{1-Ae^{2t}}\right) has a vertical asymptote at 1−Ae2t=0⇒t=−12ln⁡A1-Ae^{2t}=0\Rightarrow t=-\tfrac{1}{2}\ln A. As t→±∞t\to\pm\infty, w→0w\to 0 (so the tt-axis w=0w=0 is a horizontal asymptote on both ends). The curve is positive for t<−12ln⁡At<-\tfrac12\ln A (rising to +∞+\infty near the asymptote) and negative for t>−12ln⁡At>-\tfrac12\ln A (coming up from −∞-\infty towards 0−0^-).

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