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[2014年] 设函数f(u)二阶连续可导,z=f(excosy)满足=(4z+excosy)e2x,若f(0)=0,f′(0)=0,求f(u)的表达式.
[2014年] 设函数f(u)二阶连续可导,z=f(excosy)满足=(4z+excosy)e2x,若f(0)=0,f′(0)=0,求f(u)的表达式.
admin
2019-04-05
99
问题
[2014年] 设函数f(u)二阶连续可导,z=f(e
x
cosy)满足
=(4z+e
x
cosy)e
2x
,若f(0)=0,f′(0)=0,求f(u)的表达式.
选项
答案
作变量代换u=e
x
cosy将所给方程化为z对u的导数的新方程,解之即可求得f(u)的表达式. 令u=e
x
cosy,则z=f(e
x
cosy)可看成是z=f(u)与u=e
x
cosy的复合函数.先应用复合函数求导法则将z对x,y的偏导数所满足的方程化为z对u的导数所满足的方程: [*]=f′(u)e
x
cosy,[*]=f′(u)(一e
x
siny), [*][f′(u)e
x
cosy]=f″(u)e
x
cosy+f′(u)e
x
cosy =f″(u)e
2x
cos
2
y+f′(u)e
x
cosy, ① [*][f′(u)(一e
x
siny)]=一f″(u)[*]e
x
siny-e
x
cosyf′(u) =f″(u)esiny·e
x
siny·e
x
-f′(u)e
x
cosy=f″(u)e
2x
sin
2
y—f′(u)e
x
cosy. ② 由式①+式②得到[*]=f″(u)e
2x
,代入原方程得到f″(u)e
2x
=[4f(u)+u]e
2x
, 即 f″(u)一4f(u)=u ③ 于是求f(u)转化为解下述初值问题: [*]其中y=f(u). 其对应的特征方程为λ
2
一4=0,其特征值为λ=±2,从而其对应的齐次方程的通解为 Y=C
1
e
2u
+C
2
e
-2u
,其中c
1
,c
2
为任意常数. 又由观察法易看出y″一4y=u的一个特解为y
*
=一[*]u,显然y
*
=一[*]u满足上述方程,于是方程③的通解为 y=Y+y
*
=c
1
e
2u
+c
2
e
-2u
一[*]u. 由初始条件y(0)=0,y′(0)=0得到c
1
+c
2
=0,2c
1
一2c
2
一[*]=0,解得c
1
=[*],c
2
=一[*] 综上得到f(u)的表达式为f(u)=[*].
解析
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0
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