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107 台灣大學微積分(B) 第 11 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

107學年度 · 107台大微積分B · 第 11 題

題目

Problem

Part II Fill in the blanks

  1. If y=y(x)y=y(x) satisfies the differential equation x2y′+3xy=2ln⁡xx^2y'+3xy=2\ln x for x>0x>0 with y(1)=2y(1)=2, then y(x)=(13)‾y(x)=\underline{\quad(13)\quad}.

解答

解法一

思路

展開

先除以 x2x^2 化成一階線性微分方程;積分因子是 x3x^3,乘上後左側正好成為一個乘積的導數。

答題過程

展開

因 x>0x>0,原式可寫成

dydx+3xy=2ln⁡xx2.\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+\frac3x y=\frac{2\ln x}{x^2}.

積分因子為

exp⁡(∫3x dx)=x3.\exp\left(\int\frac3x\,\mathrm{d}x\right)=x^3.

故

ddx(x3y)=2xln⁡x.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(x^3y)=2x\ln x.

積分後得到

x3y=x2ln⁡x−x22+C,x^3y=x^2\ln x-\frac{x^2}{2}+C,

即

y=ln⁡x−12x+Cx3.y=\frac{\ln x-\frac12}{x}+\frac{C}{x^3}.

由 y(1)=2y(1)=2 得 −12+C=2-\frac12+C=2,所以 C=52C=\frac52。因此

y(x)=ln⁡x−12x+52x3.\boxed{y(x)=\frac{\ln x-\frac12}{x}+\frac{5}{2x^3}}.