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求微分方程$xy' - 2y = -x$的通解:结果与工具不符,求纠错

你的微分方程求解错误分析

我来帮你梳理一下求解过程里的问题——其实你前面的步骤(标准化方程、计算积分因子)都是对的,问题出在通解公式的应用上,漏掉了积分后的常数项

先回顾线性非齐次微分方程的标准通解公式:对于形如 $y' + P(x)y = Q(x)$ 的方程,通解是:
$$
y = \frac{1}{\mu(x)} \left( \int \mu(x)Q(x)dx + C \right)
$$
其中 $\mu(x)$ 是积分因子,$C$ 是任意常数。

你的具体步骤纠正如下:

  1. 标准化方程:$y' - \frac{2}{x}y = -1$,这里积分因子 $\mu(x) = x^{-2}$ 的计算完全正确。
  2. 代入通解公式时,必须把常数项包含在内:
    $$
    x^{-2}y = \int x^{-2}*(-1)dx + C
    $$
  3. 计算积分:$\int -x^{-2}dx = \frac{1}{x} + C_0$(这里的 $C_0$ 可以和公式里的 $C$ 合并,直接用 $C$ 表示即可)
  4. 两边同时乘以 $x^2$:
    $$
    y = x^2\left( \frac{1}{x} + C \right) = x + Cx^2
    $$

你之前的错误在于,只计算了积分部分,没有把常数项 $C$ 放进括号里一起乘以 $x^2$,反而错误地把常数写成了 $\frac{C}{x^2}$。实际上,常数项是和积分结果相加后再乘以 $x^2$,所以最终会得到 $Cx^2$,这就和Wolfram给出的结果一致了。

内容的提问来源于stack exchange,提问作者Skm

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