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- 2021-05-17 发布
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国家开放大学电大本科《常微分方程》网络课形考任务4试题及答案
国家开放大学电大本科《常微分方程》网络课形考任务4试题及答案 形考任务4 常微分方程学习活动4 第二章 基本定理的综合练习 本课程形成性考核综合练习共3次,内容主要分别是第一章初等积分法的综合练习、第二章基本定理的综合练习、第三章和第四章的综合练习,目的是通过综合性练习作业,同学们可以检验自己的学习成果,找出掌握的薄弱知识点,重点复习,争取尽快掌握. 要求:首先请同学们下载作业附件文档并进行填写,文档填写完成后请在本次作业页面中点击“去完成”按钮进入相应网页界面完成任务,然后请将所做完的作业文档以附件的形式上传到课程上,随后老师会在课程中进行评分。
一、填空题 1. 方程的任一非零解 不能 与x轴相交. 2.李普希兹条件是保证一阶微分方程初值问题解惟一的充分 条件. 3. 方程+ ysinx = ex的任一解的存在区间必是(-∞,+∞) . 4.一阶显式方程解的最大存在区间一定是
开区间
. 5.方程满足解的存在唯一性定理条件的区域是XOY平面 .
6.方程满足解的存在唯一性定理条件的区域是 XOY平面. 7.方程满足解的存在唯一性定理条件的区域是XOY平面. 8.方程满足解的存在唯一性定理条件的区域是---,(或不含x 轴的上半平面). 9.方程满足解的存在惟一性定理条件的区域是全平面. 10.一个不可延展解的存在在区间一定 开 区间. 二、计算题 1.判断下列方程在怎样的区域上保证初值解存在且惟一? (1)
(2)1.解 (1) 因为及在整个平面上连续, 且满足存在唯一性定理条件, 所以在整个平面上, 初值解存在且唯一. (2) 因为及在整个平面上连续, 且满足存在唯一性定理条件, 所以在整个平面上, 初值解存在且唯一. 2. 讨论方程在怎样的区域中满足定理2.2的条件.并求通过的一切解. 2.解 因为方程在整个平面上连续, 除轴外, 在整个平面上有界, 所以除轴外在整个平面上都满足定理2.1的条件. 而后分离变量并积分可求出方程的通解为 其中 另外容易验证是方程的特解. 因此通过的解有无穷多个, 分别是: 3.判断下列方程是否有奇解?如果有奇解,求出奇解. (1)
(2)3.解 (1) 因为在半平面上连续, 当时无界, 所以如果存在奇解只能是, 但不是方程的解, 故方程无奇解. (2) 因为在的区域上连续, 当时无界, 所以如果方程有奇解, 则奇解只能是 显然是方程的解,
是否为奇解还需要进一步讨论. 为此先求出方程的通解 由此可见对于轴上点 存在通过该点的两个解: 及 故是奇解. 三、证明题 1.试证明:对于任意的及满足条件的,方程的解在上存在. 2.设在整个平面上连续有界,对有连续偏导数,试证明方程的任一解在区间上有定义. 3.设在区间上连续.试证明方程
的所有解的存在区间必为. 4.在方程中,已知,在上连续,且.求证:对任意和,满足初值条件的解的存在区间必为. 5.假设方程在全平面上满足解的存在惟一性定理条件,且,是定义在区间I上的两个解.求证:若<,,则在区间I上必有 <成立. 6.设是方程
的非零解,其中在上连续.求证:当时,必有. 7.设在上连续可微,求证:对任意的,,方程
满足初值条件的解必在上存在. 8.证明:一阶微分方程 的任一解的存在区间必是. 1.证明 首先和是方程在的解. 易知方程的右端函数满足解的延展定理以及存在唯一性定理的条件. 现在考虑过初值 ()的解, 根据唯一性, 该解不能穿过直线和. 因此只有可能向左右两侧延展, 从而该初值解应在上存在. 2.证明 不妨设过点分别作直线 和 . 设过点的初值解为. 因为, 故在的某一右邻域内,积分曲线位于之下, 之上. 下证曲线不能与直线相交. 若不然, 使得且, 但由拉格郎日中值定理, , 使得. 矛盾. 此矛盾证明曲线不能与直线相交. 同理可证, 当时, 它也不能与相交. 故当 时解曲线位于直线, 之间. 同理可证, 当时, 解曲线也位于直线, 之间. 由延展定理, 的存在区间为。
3.证明 由已知条件,该方程在整个 平面上满足解的存在唯一及解的延展定理条件.
显然 是方程的两个常数解.
任取初值,其中,.记过该点的解为,由上面分析可知,一方面可以向平面无穷远处无限延展;另一方面又上方不能穿过,下方不能穿过,否则与惟一性矛盾.故该解的存在区间必为. 4.证明 由已知条件可知,该方程在整个 平面上满足解的存在惟一及延展定理条件,又存在常数解 .
对平面内任一点,若,则过该点的解是,显然是在上有定义.
若,则,记过该点的解为,那么一方面解可以向平面的无穷远无限延展;另一方面在条形区域 内不能上、下穿过解和,否则与解的惟一性矛盾.因此解的存在区间必为. 5.证明 仅证方向,(反之亦然). 假设存在,使得>(=不可能出现,否则与解惟一矛盾). 令=-,那么
=-< 0, =-> 0
由连续函数介值定理,存在,使得
=-= 0
即
= 这与解惟一矛盾
6.证明 由已知条件知方程存在零解.该方程满足解的存在惟一性定理条件. 设是方程的一个非零解,假如它满足
,,
由于零解也满足上述条件,以及方程有零解存在,那么由解的惟一性有,这与是非零解矛盾.
7.证明 该方程在全平面上满足解的存在惟一性定理及解的延展定理.
又 是该方程的两个常数解.
现取,,记过点的解为.一方面该解可向平面的无穷远无限延展,另一方面又不能上下穿越,否则将破坏解的惟一性.因此,该解只能在区域内沿x轴两侧无限延展,显然其定义区间必是. 8.证明 方程在全平面上满足解的存在唯一性定理的条件,又是方程的常数解.
对平面上任取的
若则对应的是常数解其存在区间显然是 若)则过该点的解可以向平面无穷远无限延展,但是上下又不能穿越和,于是解的存在区间必是. 四、应用题
1.求一曲线,具有如下性质:曲线上任一点的切线,在轴上的截距之和为1. 2.求一曲线,此曲线的任一切线在两个坐标轴间的线段长等于常数. 1.解 首先, 由解析几何知识可知, 满足 的直线 都是所求曲线. 设 (x, y) 为所求曲线上的点,(X, Y)为其切线上的点, 则过 (x, y) 的切线方程为 . 显然有 此处 a 与 b 分别为切线在Ox 轴与Oy 轴上的截距. 故 . 解出y, 得到克莱洛方程 , 通解为 所以 , 即 为所求曲线方程. 2.解 设 (x, y) 为所求曲线上的点, (X, Y)为其切线上的点, 则过 (x, y) 的切线方程为 . 显然有 此处 a 与 b 分别为切线在Ox 轴与Oy 轴上的截距. 故 , 即. 解出得 故曲线的方程为 消去即的曲线方程为 .