卡在這題?用 AI 解開它
Calculus · real student question

解微分方程式 dx/dy = a * x^(2/3),其中 a 是常數。

Question

解

dxdy=a x2/3,\frac{dx}{dy}=a\,x^{2/3},

其中 aa 是常數。

Step-by-step solution

  1. 分離變數。 兩邊同除以 x2/3x^{2/3} 再乘上 dydy,就讓每個變數各自配上自己的微分:

    x−2/3 dx=a dy.x^{-2/3}\,dx=a\,dy.

    注意除以 x2/3x^{2/3} 只在 x≠0x\ne0 時合法——x=0x=0 的情形必須另外檢查,而且在這題裡它確實有影響。

  2. 用冪函數法則把左邊積出來。 取 n=−23n=-\tfrac23,新的指數是 n+1=13n+1=\tfrac13:

    ∫x−2/3 dx=x1/31/3=3x1/3.\int x^{-2/3}\,dx=\frac{x^{1/3}}{1/3}=3x^{1/3}.

    除以 13\tfrac13 就是乘上 33——這正是後來變成 a3\tfrac{a}{3} 的那個因子的來源。

  3. 把右邊積出來並合併。 由於 aa 是常數,∫a dy=ay\int a\,dy=ay,所以

    3x1/3=ay+C.3x^{1/3}=ay+C.

    一階方程式只需要一個任意常數。

  4. 明確解出 xx。 除以 33 並把常數吸收進去:

    x1/3=a3y+C1  ⟹  x=(a3y+C1)3.x^{1/3}=\frac{a}{3}y+C_{1}\;\Longrightarrow\;x=\left(\frac{a}{3}y+C_{1}\right)^{3}.

    開立方是安全的,不會有 ±\pm 的歧義,因為立方函數在實數上是一對一的——這一點與平方不同。

  5. 補上奇異解並驗證。 常數函數 x≡0x\equiv0 滿足方程式(dxdy=0\frac{dx}{dy}=0 而 a⋅02/3=0a\cdot0^{2/3}=0),但它不屬於任何有限 C1C_{1} 所給出的通解形式,所以它是一個貨真價實的奇異解。它也讓這題成為解不唯一的標準範例:通過點 x=0x=0 的解同時有 x≡0x\equiv0 與 x=(a3y)3x=\left(\tfrac{a}{3}y\right)^{3},因為 x2/3x^{2/3} 在 00 處不滿足 Lipschitz 條件。取 a=1.7a=1.7、C1=0.4C_{1}=0.4,在 y=1.1y=1.1 處做數值檢查:dxdy=1.7802589\frac{dx}{dy}=1.7802589 而 ax2/3=1.7802589ax^{2/3}=1.7802589 ✓。

Answer

x=(a3y+C)3,並附帶奇異解 x≡0x=\left(\frac{a}{3}y+C\right)^{3},\qquad\text{並附帶奇異解 }x\equiv0

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