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设y=y(x)是区间(-π,π)内过点的光滑曲线.当-π<x<0时,曲线上任一点处的法线都过原点;当0≤x<π时,函数y(x)满足y"+y+x=0. 求函数y(x)的表达式.
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参考解答
正确答案:当-π<x<0时设(xy)为曲线上任意一点由导数几何意义法线斜率为.由题意知法线斜率又为
即 ydy=-xdx 两边积分得 y2=-x2+C. 由初始条件
得C=π2
(-π<x<0) 当0≤x<π时有y'+y+x=0. 首先易得y'+y=0的通解为y*=C1cosx+C2sinx其次令y'+y+x=0的特解为y1=Ax+B则有0+Ax+B+x=0得A=-1B=0y1=-x因而y'+y+x=0的通解为y=C1cosx+C2sinx-x.由于y=y(x)是(-ππ)内的光滑曲线故y(x)在x=0处连续而且可导.于是
将上述条件代入y'+y+x=0的通解可得C1=πC2=1故 y=πcosx+sinx-x(0≤x<π). 所以y=y(x)的表达式为
。
[分析本题考查导数的几何意义、微分方程求解和函数连续性,是一个比较综合的问题.在区间(-π,0)内,根据已知条件建立微分方程求解,在区间[0,π)上求解二阶常系数非齐次线性微分方程,并且根据曲线光滑条件确定任意常数.[评注1在区间[a,b上的光滑曲线y=f(x)指的是函数f(x)在区间[a,b上有一阶连续导数.[评注2在区间(-π,0)内的微分方程也可如下得到:曲线上任意一点(x,y)的法线方程为,又法线都过原点,即X=0,Y=0,代入即得微分方程yy'=-x.
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