题目
6.设函数φ(x)连续,且满足varphi(x)=e^x+int_(0)^xtvarphi(t)dt-xint_(0)^xvarphi(t)dt,求φ(x).
6.设函数φ(x)连续,且满足
$\varphi(x)=e^{x}+\int_{0}^{x}t\varphi(t)dt-x\int_{0}^{x}\varphi(t)dt,$
求φ(x).
题目解答
答案
为了求解函数 $\varphi(x)$,我们从给定的方程开始:
\[
\varphi(x) = e^x + \int_0^x t \varphi(t) \, dt - x \int_0^x \varphi(t) \, dt.
\]
首先,我们对等式两边关于 $x$ 求导。使用微分法则和积分的性质,我们得到:
\[
\varphi'(x) = \frac{d}{dx} \left( e^x \right) + \frac{d}{dx} \left( \int_0^x t \varphi(t) \, dt \right) - \frac{d}{dx} \left( x \int_0^x \varphi(t) \, dt \right).
\]
这可以简化为:
\[
\varphi'(x) = e^x + x \varphi(x) - \left( \int_0^x \varphi(t) \, dt + x \varphi(x) \right).
\]
注意到 $x \varphi(x)$ 项相互抵消,留下:
\[
\varphi'(x) = e^x - \int_0^x \varphi(t) \, dt.
\]
接下来,我们再次对等式两边关于 $x$ 求导:
\[
\varphi''(x) = \frac{d}{dx} \left( e^x \right) - \frac{d}{dx} \left( \int_0^x \varphi(t) \, dt \right).
\]
这简化为:
\[
\varphi''(x) = e^x - \varphi(x).
\]
因此,我们得到了一个二阶微分方程:
\[
\varphi''(x) + \varphi(x) = e^x.
\]
为了解这个微分方程,我们首先找到齐次方程 $\varphi''(x) + \varphi(x) = 0$ 的通解。特征方程是:
\[
r^2 + 1 = 0,
\]
其根为 $r = \pm i$。因此,齐次方程的通解是:
\[
\varphi_h(x) = C_1 \cos x + C_2 \sin x.
\]
接下来,我们找到非齐次方程 $\varphi''(x) + \varphi(x) = e^x$ 的一个特解。我们尝试特解的形式 $\varphi_p(x) = Ae^x$。将 $\varphi_p(x) = Ae^x$ 代入微分方程,我们得到:
\[
Ae^x + Ae^x = e^x,
\]
简化为:
\[
2Ae^x = e^x.
\]
解得 $A = \frac{1}{2}$。因此,一个特解是:
\[
\varphi_p(x) = \frac{1}{2} e^x.
\]
非齐次方程的通解是齐次解和特解的和:
\[
\varphi(x) = C_1 \cos x + C_2 \sin x + \frac{1}{2} e^x.
\]
为了确定常数 $C_1$ 和 $C_2$,我们使用初始条件。从原方程,我们有:
\[
\varphi(0) = e^0 + \int_0^0 t \varphi(t) \, dt - 0 \int_0^0 \varphi(t) \, dt = 1.
\]
将 $x = 0$ 代入通解,我们得到:
\[
\varphi(0) = C_1 \cos 0 + C_2 \sin 0 + \frac{1}{2} e^0 = C_1 + \frac{1}{2} = 1.
\]
解得 $C_1 = \frac{1}{2}$。接下来,我们使用 $\varphi(x)$ 的导数:
\[
\varphi'(x) = -C_1 \sin x + C_2 \cos x + \frac{1}{2} e^x.
\]
从原方程,我们有:
\[
\varphi'(0) = e^0 - \int_0^0 \varphi(t) \, dt = 1.
\]
将 $x = 0$ 代入导数,我们得到:
\[
\varphi'(0) = -C_1 \sin 0 + C_2 \cos 0 + \frac{1}{2} e^0 = C_2 + \frac{1}{2} = 1.
\]
解得 $C_2 = \frac{1}{2}$。因此,函数 $\varphi(x)$ 是:
\[
\varphi(x) = \frac{1}{2} \cos x + \frac{1}{2} \sin x + \frac{1}{2} e^x = \frac{1}{2} (\cos x + \sin x + e^x).
\]
最终答案是:
\[
\boxed{\frac{1}{2} (e^x + \sin x + \cos x)}.
\]