已知 2xydydx=x2−y22xy\frac{\text{d}y}{\text{d}x} = x^2 - y^2,其中 x>0x > 0,y<0y < 0。利用代换 u=yxu = \frac{y}{x},证明该微分方程可以转化为 2u1−3u2dudx=1x\frac{2u}{1-3u^2}\frac{\text{d}u}{\text{d}x} = \frac{1}{x}。并由此求出 yy 关于 xx 的通解。

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

1

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

y=ux  ⟹  dydx=u+xdudxy = ux \implies \frac{\text{d}y}{\text{d}x} = u + x\frac{\text{d}u}{\text{d}x}

2. Substitute into the given differential equation and simplify to the target form.

2x(ux)(u+xdudx)=x2−(ux)22x2u2+2x3ududx=x2(1−u2)Since x>0, divide by x2:2u2+2xududx=1−u22xududx=1−3u22u1−3u2dudx=1x(shown)2x(ux)\left(u + x\frac{\text{d}u}{\text{d}x}\right) = x^2 - (ux)^2 \\ 2x^2u^2 + 2x^3u\frac{\text{d}u}{\text{d}x} = x^2(1 - u^2) \\ \text{Since } x > 0, \text{ divide by } x^2: \\ 2u^2 + 2xu\frac{\text{d}u}{\text{d}x} = 1 - u^2 \\ 2xu\frac{\text{d}u}{\text{d}x} = 1 - 3u^2 \\ \frac{2u}{1-3u^2}\frac{\text{d}u}{\text{d}x} = \frac{1}{x} \quad \text{(shown)}

3. Separate variables and integrate both sides.

∫2u1−3u2 du=∫1x dx−13∫−6u1−3u2 du=∫1x dx−13ln⁡∣1−3u2∣=ln⁡x+C(since x>0,∣x∣=x)\int \frac{2u}{1-3u^2} \, \text{d}u = \int \frac{1}{x} \, \text{d}x \\ -\frac{1}{3}\int \frac{-6u}{1-3u^2} \, \text{d}u = \int \frac{1}{x} \, \text{d}x \\ -\frac{1}{3}\ln|1-3u^2| = \ln x + C \quad (\text{since } x > 0, |x| = x)

4. Rearrange to make $u^2$ the subject.

ln⁡∣1−3u2∣=−3ln⁡x−3C∣1−3u2∣=e−3Cx−31−3u2=Ax3(where A=±e−3C)3u2=1−Ax3=x3−Ax3\ln|1-3u^2| = -3\ln x - 3C \\ |1-3u^2| = e^{-3C}x^{-3} \\ 1-3u^2 = \frac{A}{x^3} \quad (\text{where } A = \pm e^{-3C}) \\ 3u^2 = 1 - \frac{A}{x^3} = \frac{x^3 - A}{x^3}

5. Substitute back $u = \frac{y}{x}$ and solve for $y$, applying the condition $y < 0$.

3(yx)2=x3−Ax33y2x2=x3−Ax3y2=x3−A3xLet k=−A. Since y<0, we reject the positive root:y=−x3+k3x3\left(\frac{y}{x}\right)^2 = \frac{x^3 - A}{x^3} \\ \frac{3y^2}{x^2} = \frac{x^3 - A}{x^3} \\ y^2 = \frac{x^3 - A}{3x} \\ \text{Let } k = -A. \text{ Since } y < 0, \text{ we reject the positive root:} \\ y = -\sqrt{\frac{x^3 + k}{3x}}

答案

y=−x3+k3xy = -\sqrt{\frac{x^3+k}{3x}}, where kk is an arbitrary constant

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}}…