微分方程(x-arctan y)(dy)/(dx)+1+y^2=0的通解为()A. x=Ce^arctan y+arctan y-1,C为任意常数B. x=Ce^-arctan y-arctan y-1,C为任意常数C. x=Ce^-arctan y+arctan y-1,C为任意常数D. x=Ce^-arctan y+arctan y-2,C为任意常数
A. $x=Ce^{\arctan y}+\arctan y-1$,C为任意常数
B. $x=Ce^{-\arctan y}-\arctan y-1$,C为任意常数
C. $x=Ce^{-\arctan y}+\arctan y-1$,C为任意常数
D. $x=Ce^{-\arctan y}+\arctan y-2$,C为任意常数
题目解答
答案
解析
本题考查一阶线性微分方程的解法。解题的关键在于将原方程转化为标准形式$\frac{dx}{dy} + P(y)x = Q(y)$,并利用积分因子法求解。核心步骤包括:
- 变量互换:将原方程整理为关于$x$的微分方程,以$y$为自变量;
- 识别标准形式:确定$P(y)$和$Q(y)$;
- 应用通解公式:通过积分因子法求解,特别注意积分过程中的换元技巧。
步骤1:整理方程形式
原方程$(x - \arctan y)\frac{dy}{dx} + 1 + y^2 = 0$可改写为:
$\frac{dx}{dy} + \frac{x}{1 + y^2} = \frac{\arctan y}{1 + y^2}$
此时方程为一阶线性微分方程,其中:
$P(y) = \frac{1}{1 + y^2}, \quad Q(y) = \frac{\arctan y}{1 + y^2}$
步骤2:计算积分因子
积分因子为:
$\mu(y) = e^{\int P(y) dy} = e^{\arctan y}$
步骤3:代入通解公式
通解公式为:
$x = e^{-\int P(y) dy} \left( \int Q(y) e^{\int P(y) dy} dy + C \right)$
计算积分:
$\int \frac{\arctan y}{1 + y^2} e^{\arctan y} dy$
通过换元法(令$u = \arctan y$)和分部积分法,得:
$\int u e^u du = e^u (u - 1) + C$
代回原变量后,通解化简为:
$x = C e^{-\arctan y} + \arctan y - 1$