题目
微分方程y^primeprime=(1)/(1+x^2)的通解是()A. xarctan x-(1)/(2)ln(1+x^2)+C_(1)x+C_(2)B. xarctan x+(1)/(2)ln(1+x^2)+C_(1)x+C_(2)C. xarctan x+C_(1)x+C_(2)D. -(1)/(2)ln(1+x^2)+C_(1)x+C_(2)
微分方程$y^{\prime\prime}=\frac{1}{1+x^{2}}$的通解是()
A. $xarctan x-\frac{1}{2}ln(1+x^{2})+C_{1}x+C_{2}$
B. $xarctan x+\frac{1}{2}ln(1+x^{2})+C_{1}x+C_{2}$
C. $xarctan x+C_{1}x+C_{2}$
D. $-\frac{1}{2}ln(1+x^{2})+C_{1}x+C_{2}$
题目解答
答案
A. $xarctan x-\frac{1}{2}ln(1+x^{2})+C_{1}x+C_{2}$
解析
本题考查可降阶的二阶微分方程的求解,解题思路是通过对给定的二阶微分方程进行两次积分来得到通解。
第一步:对$y^{\prime\prime}=\frac{1}{1 + x^2}$进行第一次积分求$y'$
根据不定积分的定义,$y'$是$y^{\prime\prime}$的一个原函数,所以对$y^{\prime\prime}=\frac{1}{1 + x^2}$两边同时积分可得:
$y'=\int\frac{1}{1 + x^2}dx$
根据积分公式$\int\frac{1}{1 + x^2}dx=\arctan x + C$,这里$C$为常数,所以$y'=\arctan x + C_1$,其中$C_1$是积分常数。
第二步:对$y'=\arctan x + C_1$进行第二次积分求$y$
$y=\int(\arctan x + C_1)dx=\int\arctan xdx + \int C_1dx$
- 计算$\int\arctan xdx$:
使用分部积分法,设$u = \arctan x$,$dv = dx$,则$du = \frac{1}{1 + x^2}dx$,$v = x$。
根据分部积分公式$\int u dv = uv - \int v du$可得:
$\int\arctan xdx = x\arctan x - \int\frac{x}{1 + x^2}dx$
令$t = 1 + x^2$,则$dt = 2xdx$,$\frac{1}{2}dt = xdx$,那么$\int\frac{x}{1 + x^2}dx = \frac{1}{2}\int\frac{1}{t}dt$。
根据积分公式$\int\frac{1}{t}dt=\ln|t| + C$,可得$\frac{1}{2}\int\frac{1}{t}dt = \frac{1}{2}\ln|t| + C = \frac{1}{2}\ln(1 + x^2) + C$。
所以$\int\arctan xdx = x\arctan x - \frac{1}{2}\ln(1 + x^2) + C$。 - 计算$\int C_1dx$:
根据积分公式$\int kdx = kx + C$($k$为常数),可得$\int C_1dx = C_1x + C$。
将上述结果代入$y=\int\arctan xdx + \int C_1dx$可得:
$y = x\arctan x - \frac{1}{2}\ln(1 + x^2) + C_1x + C_2$,其中$C_2$是积分常数。