问答题
设方程y3+sin(xy)-e2x=0确定曲线y=y(x).
问答题
求此曲线y=y(x)在点(0,1)处的曲率与曲率半径.
【正确答案】首先用隐函数求导法计算y=y(x)在x=0处的一、二阶导数y'(0)与y"(0).为此将隐函数方程两端对x求导数得
3y2y'+(y+xy')cos(xy)-2e2x=0. (*)
将x=0与y(0)=1代入(*)即得
[*]
将(*)式两端对x求导数又得
6y(y')2+3y2y"+(2y'+xy")cos(xy)-(y+xy')2sin(xy)-4e2x=0, (**)
将x=0,y(0)=1与[*]代入(**)即得
[*]
利用以上计算结果即知所求的曲率为
[*]
曲率半径为[*]
【答案解析】
问答题
求此曲线y=y(x)在点(0,1)处的曲率圆方程.
【正确答案】设曲线y=y(x)在点(0,1)处的曲率圆中心是(ξ,η).先求(ξ,η).
曲线y=y(x)在点(0,1)处的法线方程是y=1-3x[*],曲率中心(ξ,η)位于法线上,所以有
η=1-3ξ
又(ξ,η)与(0,1)的距离即曲率半径ρ,即
[*]
于是[*]
因为y=y(x)在(0,1)附近是凹的(y"(0)>0,y"(x)连续),(ξ,η)在法线上凹的一侧,如图,η>1即ξ<0,[*].于是曲线y=y(x)在点(0,1)处的曲率圆方程是
[*]
[*]
曲线y=y(x)在点M0(x0,y0)(y0=y(x0))处的曲率中心为(ξ,η)则
[*]
推导如下:曲线y=y(x)在点M0处的法线方程是
[*]
(ξ,η)在法线上,所有以
[*]时也成立)又(ξ,η)与(x0,y0)的距离即曲率半径ρ,即
(ξ-x0)2+(η-y0)2=ρ2
于是[*]
因为(ξ,η)位于凹的一侧,当y"(x0)>0时y=y(x)在x0邻域是凹的,η>y0.当y"(x0)<0时y=y(x)在x0邻域是凸的,η<y0.因此
[*]
相应地ξ=x0-(η-y0)y'(x0)=x0-[*]
若代公式,我们可得题(Ⅱ)中曲线y=y(x)的曲率中心(ξ,η):
[*]
[*]
【答案解析】
问答题
设函数f(x)连续且满足
【正确答案】题设方程可改写为
[*] ①
由f(x)连续知[*]与[*]可导,结合4-5x与36xex可导即知f(x)可导,将上式两端求导得
[*]
化简得[*] ②
再将①中令x=0得
f(0)=0 ③
求解①转化为求解②+③.
从②式又知f(x)具有二阶导数,将②式两端求导得
f"(x)+4f'(x)-5f(x)=36(x+2)ex.
在②式中令x=0得f'(0)=36,
综合可得y=f(x)是二阶常系数线性微分方程初值问题
[*]
的特解.
从特征方程λ2+4λ-5=0可得二特征根λ1=1,λ2=-5,于是对应齐次微分方程有二线性无关特解ex与e-5x,而上述非齐次微分方程的一个特解具有形式y*=x(Ax+B)ex,代入方程知待定系数A和B应满足恒等式
[6(2Ax+B)+2A]ex=36(x+2)ex,
不难得出A=3,B=11.从而方程具有通解
y=C1ex+C2e-5x+(3x2+11x)ex,
于是y'=C1ex-5C2e-5x+(3x2+17x+11)ex.
利用初值 y(0)=0与y'(0)=36可确定[*]
综合即得[*]
【答案解析】