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数学
题目

(此题总分值6分)求微分方程dfrac (dy)(dx)=dfrac (y-sqrt {{x)^2+(y)^2}}(x)的通解.

(此题总分值6分)

求微分方程的通解.

题目解答

答案

最佳答案

[解析]令,那么.

当时,原方程化为,即,其通解为

或 .

代回原变量,得通解.

当时,原方程的解与时一样,理由如下:

令,于是,而且

.

从而有通解,即.

综合得,方程的通解为.

注:由于未给定自变量的取值范围,因此在此题求解过程中,引入新未知函数后得

,

从而,应当分别对和求解,在类似的问题中,这一点应当牢记.

解析

考查要点:本题主要考查齐次微分方程的解法,通过变量替换将方程转化为可分离变量的形式,进而求解通解。

解题核心思路:

  1. 识别方程类型:观察方程右边的结构,发现分子和分母均为齐次函数(次数为1),因此属于齐次方程。
  2. 变量替换:令$y = z x$,将方程转化为关于$z$和$x$的可分离变量方程。
  3. 分离变量积分:对分离后的方程两边积分,得到关于$z$和$x$的关系式。
  4. 回代变量:将$z = \dfrac{y}{x}$代回,整理得到通解。
  5. 讨论$x$的符号:注意$x > 0$和$x < 0$时的解是否一致,最终合并结果。

破题关键点:

  • 正确选择变量替换,将方程转化为可分离变量形式。
  • 处理积分后的绝对值问题,确保解在$x > 0$和$x < 0$时的统一性。

变量替换与方程转化

令$y = z x$,则$\dfrac{dy}{dx} = z + x \dfrac{dz}{dx}$。
将$y = z x$代入原方程$\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{y - \sqrt{x^2 + y^2}}{x}$,得:
$z + x \dfrac{dz}{dx} = \dfrac{z x - \sqrt{x^2 + (z x)^2}}{x} = z - \sqrt{1 + z^2}.$
消去两边的$z$,整理得:
$x \dfrac{dz}{dx} = -\sqrt{1 + z^2}.$

分离变量与积分

分离变量得:
$\dfrac{dz}{\sqrt{1 + z^2}} = -\dfrac{dx}{x}.$
两边积分:
$\int \dfrac{dz}{\sqrt{1 + z^2}} = -\int \dfrac{dx}{x}.$
左边积分结果为$\ln \left( z + \sqrt{1 + z^2} \right)$,右边积分结果为$-\ln |x| + C$,因此:
$\ln \left( z + \sqrt{1 + z^2} \right) = -\ln |x| + C.$

回代变量与整理

将$z = \dfrac{y}{x}$代入,得:
$\ln \left( \dfrac{y}{x} + \sqrt{1 + \left( \dfrac{y}{x} \right)^2} \right) = -\ln |x| + C.$
指数运算化简:
$\dfrac{y}{x} + \sqrt{\dfrac{x^2 + y^2}{x^2}} = \dfrac{C}{x}.$
两边乘以$x$,整理得通解:
$y + \sqrt{x^2 + y^2} = C.$

讨论$x$的符号

  • 当$x > 0$时:直接代入上述结果,通解为$y + \sqrt{x^2 + y^2} = C$。
  • 当$x < 0$时:令$t = -x > 0$,则方程形式不变,解仍为$y + \sqrt{x^2 + y^2} = C$。

综上,通解为:
$y + \sqrt{x^2 + y^2} = C \quad (x \neq 0).$

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