解答题 32.[2009年] 设y=y(x)是区间(一π,π)内过点(-π/√2,π/√2)的光滑曲线,当一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.
【正确答案】y(x)在两个区间(一π,0)与[0,π]上满足的条件不同,先分别求出y(x)在这两区间上满足的微分方程及其通解,再由y(x)在x=0处的连续性、可导性求出待定常数.
(1)对(-π,0)上的曲线求出特解,先求出曲线的方程.由于曲线上任一点处的法线都过原点,曲线的法线为y=-x/y′,即ydy=一xdx,积分得曲线方程
y2=一x2+C. ①
又利用初始条件y(一π/√2)一π/√2求其特解.将其代入方程①得C=π2,从而有x2+y22
故y=(该分支由过点(一π/√2,π/√2)所确定).
(2)再求区间(0,π)内曲线的分支,为此求出y"+y+x=0的特解.易知y"+y=0的通解为
y=C1cosx+C2sinax.
设 y"+y+x=0 ②
的特解为y*=ax+b,将其代入式②得到a=一1,b=0,故y*=-x,所以方程②的通解为
y=Y+y*=C1cosx+C2sinx一x. ③
(3)利用y(x)的光滑性,求出式③中的任意常数.
下面求③中的任意常数,由于y=y(x)在(一π,π)内光滑,故y在x=0处连续、可导.由其连续性有y-(0)=y+(0),故C1=π.又由可导性得y′-(0)=y′+(0),而y′-(0)=()′∣x=0=0,y′+(0)=(一C1sinx+C2cosx-1)∣x=0=C2—1,
故C2一1=0,即C2=1,于是y=y(x)的表达式为
【答案解析】