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数学
题目

题目 求微分方程xy′+y=xe x满足y(1)=1的特解.

题目
求微分方程xy′+y=xe x满足y(1)=1的特解.

题目解答

答案

xy′+y=xe x
(xy)'=xex
xy=∫xexdx=∫xdex=xex-∫exdx=xex-ex+c,c为任意常数
由于y(1)=1,即1×1=1×e1-e1+c
所以c=1,
所以,微分方程xy′+y=xex满足y(1)=1的特解为
xy=(x-1)ex+1

解析

考查要点:本题主要考查一阶线性微分方程的解法,重点在于识别方程结构并应用积分因子法求解,同时结合初始条件确定特解。

解题核心思路:

  1. 方程标准化:将原方程整理为标准形式$y' + P(x)y = Q(x)$,便于应用积分因子法。
  2. 积分因子计算:通过计算$\mu(x) = \exp\left(\int P(x) \, dx\right)$,将方程转化为全微分形式。
  3. 积分求解:对变形后的方程两边积分,得到通解。
  4. 初始条件代入:利用$y(1)=1$确定常数,得到特解。

破题关键点:

  • 识别方程类型:原方程可整理为一阶线性微分方程。
  • 正确应用分部积分:求解$\int x e^x \, dx$时需使用分部积分法。

步骤1:方程标准化
原方程$xy' + y = x e^x$两边除以$x$,得:
$y' + \frac{1}{x} y = e^x$

步骤2:计算积分因子
积分因子为:
$\mu(x) = \exp\left(\int \frac{1}{x} \, dx\right) = \exp(\ln |x|) = x$

步骤3:方程变形与积分
方程两边乘以$\mu(x)$:
$x y' + y = x e^x \quad \Rightarrow \quad (x y)' = x e^x$
两边积分:
$x y = \int x e^x \, dx$
使用分部积分法:
$\int x e^x \, dx = x e^x - \int e^x \, dx = x e^x - e^x + C$
因此:
$x y = x e^x - e^x + C$

步骤4:代入初始条件
当$x=1$时,$y=1$:
$1 \cdot 1 = 1 \cdot e^1 - e^1 + C \quad \Rightarrow \quad C = 1$

步骤5:写出特解
将$C=1$代入通解:
$x y = (x - 1) e^x + 1$

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