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一阶线性微分方程积分因子法问题:求使解有界的y₀

求解初值问题中使解在t→∞时保持有限的y₀值

我来帮你把这最后一步理清楚~你已经求出通解了,离答案只差临门一脚啦!

首先回顾你得到的通解:

y(t) = ce^t -\frac{3}{2}\sin t-\frac{3}{2} \cos t-1

接下来我们分析各项当t→∞时的趋势:

  • 对于ce^t这一项:指数函数e^tt→∞时会趋向正无穷,如果c≠0,不管c是正还是负,这一项都会把整个解拉向正无穷或者负无穷,导致解无法保持有限。
  • 对于后面的-\frac{3}{2}\sin t-\frac{3}{2} \cos t-1:因为sin tcos t都是有界函数(取值始终在[-1,1]之间),所以这整个部分是有界的,不会趋向无穷。

所以要让t→∞时解保持有限,必须让那个会趋向无穷的指数项消失,也就是要求c=0

接下来结合初值条件计算y₀
你已经算出当t=0时,y(0) = -\frac{5}{2} + c,而题目给出y(0)=y₀,所以y₀ = -\frac{5}{2} + c。当c=0时,代入可得:

y₀ = -\frac{5}{2}

最后解释这个y₀的含义:
这个y₀=-5/2是唯一的初值,当取这个初值时,解就简化为y(t) = -\frac{3}{2}\sin t-\frac{3}{2} \cos t-1,这是一个有界函数(正弦、余弦的有界性决定了整个解的取值范围有限),所以当t趋向无穷时,解会在有限区间内波动,不会跑向无穷;如果初值不是这个值,解里的指数项会随着t增大主导解的行为,最终让解趋向正无穷或者负无穷。

内容的提问来源于stack exchange,提问作者Mathstatsstudent

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