Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

112 台灣大學微積分(B) 第 10 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

112學年度 · 112台大微積分B · 第 10 題

題目

Problem

10. Solve the initial value problem.

xdydx=3x2−2y ,y(1)=2 .x \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = 3x^2 - 2y \,, \quad y(1) = 2 \,.

y=(10)‾y = \underline{\quad (10) \quad} .

解答

解法一

思路

展開
  1. 給定一階微分方程 xy′=3x2−2yx y' = 3x^2 - 2y 且 y(1)=2y(1)=2。
  2. 第一步:整理為標準一階線性微分方程形式 y′+P(x)y=Q(x)y' + P(x)y = Q(x):
    • 同除以 xx: y′+2xy=3xy' + \frac{2}{x}y = 3x
    • 此處 P(x)=2xP(x) = \frac{2}{x}, Q(x)=3xQ(x) = 3x。
  3. 第二步:求積分因子 I(x)I(x):
    • I(x)=e∫P(x) dx=e∫2x dx=e2ln⁡∣x∣=x2I(x) = e^{\int P(x)\,\mathrm{d}x} = e^{\int \frac{2}{x}\,\mathrm{d}x} = e^{2\ln|x|} = x^2(因 x=1x=1 附近可設 x>0x>0)。
  4. 第三步:兩側同乘積分因子並積分:
    • x2(y′+2xy)=3x⋅x2  ⟹  ddx(x2y)=3x3x^2 \left( y' + \frac{2}{x}y \right) = 3x \cdot x^2 \implies \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left( x^2 y \right) = 3x^3。
    • 兩側積分: x2y=∫3x3 dx=34x4+Cx^2 y = \int 3x^3 \,\mathrm{d}x = \frac{3}{4}x^4 + C。
    • 通解為: y=34x2+Cx2y = \frac{3}{4}x^2 + \frac{C}{x^2}。
  5. 第四步:利用初值條件 y(1)=2y(1)=2 求解常數 CC。

答題過程

展開

我們首先將給定的一階微分方程移項並除以 xx(在 x=1x = 1 的鄰域,可設 x>0x > 0),整理為標準一階線性形式:

xdydx+2y=3x2  ⟹  dydx+2xy=3xx \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} + 2y = 3x^2 \implies \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} + \frac{2}{x}y = 3x

求此線性微分方程的積分因子(Integrating Factor) I(x)I(x):

I(x)=e∫2x dx=e2ln⁡x=x2I(x) = e^{\int \frac{2}{x} \,\mathrm{d}x} = e^{2\ln x} = x^2

我們將原方程式兩側同乘以積分因子 x2x^2:

x2dydx+2xy=3x3x^2 \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} + 2xy = 3x^3

觀察左側,這正好是乘積求導的展開式:

ddx(x2y)=3x3\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left( x^2 y \right) = 3x^3

對兩側關於 xx 進行積分:

x2y=∫3x3 dx=34x4+Cx^2 y = \int 3x^3 \,\mathrm{d}x = \frac{3}{4}x^4 + C

兩側同除以 x2x^2 得到通解:

y(x)=34x2+Cx2y(x) = \frac{3}{4}x^2 + \frac{C}{x^2}

最後,我們帶入初值條件 y(1)=2y(1) = 2 以求解常數 CC:

2=34(1)2+C12  ⟹  2=34+C  ⟹  C=2−34=542 = \frac{3}{4}(1)^2 + \frac{C}{1^2} \implies 2 = \frac{3}{4} + C \implies C = 2 - \frac{3}{4} = \frac{5}{4}

將 C=54C = \frac{5}{4} 代回通解,求得特解:

y(x)=34x2+54x2y(x) = \frac{3}{4}x^2 + \frac{5}{4x^2}

結論: (10) 處應填入 34x2+54x2\displaystyle \frac{3}{4}x^2 + \frac{5}{4x^2}(或寫成有理分式 3x4+54x2\displaystyle \frac{3x^4 + 5}{4x^2})。