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数学
题目

设函数y(x)(x≥0)二阶可导且y’(x)>0,y(0)=1.过曲线y=y(x)上任意一点P(x,y)作该曲线的切线及z轴的垂线,上述两直线与x轴所围成的三角形的面积记为S1,区间[0,x]上以y=y(x)为曲边的曲边梯形面积记为S2,并设2S1-S2恒为1,求此曲线y=y(x)的方程.

设函数y(x)(x≥0)二阶可导且y’(x)>0,y(0)=1.过曲线y=y(x)上任意一点P(x,y)作该曲线的切线及z轴的垂线,上述两直线与x轴所围成的三角形的面积记为S1,区间[0,x]上以y=y(x)为曲边的曲边梯形面积记为S2,并设2S1-S2恒为1,求此曲线y=y(x)的方程.

题目解答

答案

曲线y=y(x)上点P(x,y)处的切线方程为 Y-y=y’(x)(X-x) 它与x轴的交点为[*],由于y’(x)>0,y(0)=1,从而y(x)>0,于是 [*] 又 [*] 由条件2S1-S2=1知 [*] 上式两端对x求导并化简得 yy"=(y’)2 令y’=P,则上述方程化为 [*] 从而 [*] 解得P=C1y即 [*] 注意到y(0)=1,且由(*)式知y’(0)=1,则C1=1,即 [*] 由此得 y=C2ex 由y(0)=1知C2=1,故y=ex.

解析

考查要点:本题主要考查微分方程的建立与求解,涉及几何应用中的切线方程、面积计算及积分方程的处理。

解题核心思路:

  1. 几何分析:确定切线方程与垂线方程,计算三角形面积$S_1$和曲边梯形面积$S_2$。
  2. 条件转化:利用条件$2S_1 - S_2 = 1$建立积分方程,通过求导消去积分项,转化为微分方程。
  3. 变量替换:通过变量代换将高阶微分方程降阶,分离变量求解。

破题关键点:

  • 切线方程与面积计算:正确写出切线方程并求出与x轴的交点,结合垂线确定三角形面积。
  • 积分方程求导:对含积分的方程求导,消去积分项,得到微分方程。
  • 变量代换:令$y' = p$,将二阶微分方程转化为一阶可分离变量方程。

几何分析与面积计算

  1. 切线方程:在点$P(x, y)$处,切线方程为
    $Y - y = y'(x)(X - x).$
    令$Y = 0$,解得切线与x轴的交点为
    $X = x - \frac{y}{y'}.$

  2. 垂线方程:垂直于x轴的直线为$X = x$,与x轴交于$(x, 0)$。

  3. 三角形面积$S_1$:底边长度为$\frac{y}{y'}$,高度为$y$,故
    $S_1 = \frac{1}{2} \cdot \frac{y}{y'} \cdot y = \frac{y^2}{2y'}.$

  4. 曲边梯形面积$S_2$:
    $S_2 = \int_0^x y(t) \, dt.$

建立微分方程

根据条件$2S_1 - S_2 = 1$,代入得:
$\frac{y^2}{y'} - \int_0^x y(t) \, dt = 1.$
对$x$求导消去积分项:
$\frac{2yy'^2 - y^2y''}{y'^2} - y = 0.$
化简得:
$y'' = \frac{(y')^2}{y}.$

求解微分方程

  1. 变量代换:令$y' = p$,则$y'' = p \frac{dp}{dy}$,代入方程得:
    $p \frac{dp}{dy} = \frac{p^2}{y} \implies \frac{dp}{p} = \frac{dy}{y}.$

  2. 分离变量积分:
    $\ln p = \ln y + C \implies p = Cy \implies y' = Cy.$

  3. 求解一阶方程:
    $\frac{dy}{dx} = Cy \implies y = Ke^{Cx}.$
    利用初始条件$y(0) = 1$,得$K = 1$,故
    $y = e^{Cx}.$

  4. 确定常数$C$:
    由$y'(0) = C = 1$(隐含于方程推导过程),最终得
    $y = e^x.$

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