题目
Problem
Given that
dx2d2y+3xdxdy=2cosx
(a) Express dx3d3y in terms of x , dxdy and dx2d2y
(3)
At x=0 , y=2 and dxdy=5
(b) Determine the value of dx3d3y at x=0
(1)
(c) Express y as a series in ascending powers of x , up to and including the term in x3
(3)
解答
(a)
解法一
思路
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对原方程两边求导即可。左边有乘积 3xy′,所以要用乘积法则:
dxd(3xy′)=3y′+3xy′′.
最后把 y′′′ 单独放在等号左边。
答题过程
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Given
dx2d2y+3xdxdy=2cosx.
Differentiate both sides with respect to x:
dx3d3y+3dxdy+3xdx2d2y=−2sinx.
Therefore
dx3d3y=−2sinx−3dxdy−3xdx2d2y.
(b)
解法一
思路
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把 x=0 和 y′=5 代入 (a) 的结果。因为含 y′′ 的项前面有 x,所以这一项在 x=0 时为 0。
答题过程
展开
At x=0,
dxdy=5.
Using part (a),
dx3d3y==−2sin0−3(5)−3(0)dx2d2y−15.
Thus
dx3d3yx=0=−15.
(c)
解法一
思路
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Taylor 展开到 x3 需要 y(0)、y′(0)、y′′(0) 和 y′′′(0)。
题目给了 y(0) 和 y′(0),(b) 给了 y′′′(0)。还缺 y′′(0),可以直接把 x=0 代入原微分方程求出。
答题过程
展开
At x=0,
y=2,dxdy=5.
Use the original differential equation:
dx2d2y+3xdxdy=2cosx.
Substitute x=0:
dx2d2yx=0+3(0)(5)=dx2d2yx=0=2cos02.
Also, from part (b),
dx3d3yx=0=−15.
Therefore
y===y(0)+xy′(0)+2!x2y′′(0)+3!x3y′′′(0)+⋯2+5x+2x2(2)+6x3(−15)+⋯2+5x+x2−25x3+⋯.
So, up to and including the term in x3,
y=2+5x+x2−25x3.