常微分方程 / 微分方程特解 / 常规计算与结论整理
已知微分方程$(1+x^2)dy-y^2dx=0$,求满足$\left.y\right|_{x=1}=-\frac{2}{3}$的特解为_____________.
正确答案
$y=-\frac{x+1}{2x+1}$
题目解析
原方程$(1+x^2)dy-y^2dx=0$可分离变量:$$\frac{dy}{y^2}=\frac{dx}{1+x^2}.$$两边积分得$$\int y^{-2}dy=\int\frac{1}{1+x^2}dx\Rightarrow -\frac{1}{y}=\arctan x+C.$$由初始条件$y|_{x=1}=-\frac{2}{3}$,代入得$$-\frac{1}{-\frac{2}{3}}=\arctan 1+C\Rightarrow \frac{3}{2}=\frac{\pi}{4}+C\Rightarrow C=\frac{3}{2}-\frac{\pi}{4}.$$但此形式含$\pi$,与标准答案形式不符,说明应重新整理通解。更合理写法:由$-\frac{1}{y}=\arctan x+C$,得$y=-\frac{1}{\arctan x+C}$。代入$x=1,y=-\frac{2}{3}$:$$-\frac{2}{3}=-\frac{1}{\arctan 1+C}=-\frac{1}{\frac{\pi}{4}+C}\Rightarrow \frac{2}{3}=\frac{1}{\frac{\pi}{4}+C}\Rightarrow \frac{\pi}{4}+C=\frac{3}{2}\Rightarrow C=\frac{3}{2}-\frac{\pi}{4}.$$仍含$\pi$,而标准答案为有理分式,表明原方程可能被误读。重审原方程:$(1+x^2)dy-y^2dx=0$,即$\frac{dy}{dx}=\frac{y^2}{1+x^2}$,分离变量正确。但标准答案$y=-\frac{x+1}{2x+1}$满足该方程吗?验证:令$y=-\frac{x+1}{2x+1}$,则$y'=-\frac{(2x+1)-(x+1)\cdot2}{(2x+1)^2}=-\frac{2x+1-2x-2}{(2x+1)^2}=\frac{1}{(2x+1)^2}$;而$\frac{y^2}{1+x^2}=\frac{(x+1)^2}{(2x+1)^2(1+x^2)}$,二者不等。【复核提示】标准答案$y=-\frac{x+1}{2x+1}$不满足原微分方程$(1+x^2)dy-y^2dx=0$,代入后左右两边不恒等;且由分离变量法所得通解必含$\arctan x$,不可能化为纯有理式。疑标准答案或题干有误。