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Calculus · real student question

求中心在原點、貫軸沿 x 軸的雙曲線族所滿足的微分方程。

Question

求中心在原點、貫軸沿 xx 軸的雙曲線族所滿足的微分方程,也就是從

x2a2−y2b2=1\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1

中消去 aa 與 bb。

Step-by-step solution

  1. 先數任意常數的個數,就能預測方程的階數。 這一族曲線帶有兩個獨立參數 aa 與 bb。要消去 nn 個常數就得微分 nn 次,所以答案會是二階微分方程。事先知道這一點,就知道該在什麼時候停止微分。

  2. 先對 xx 微分一次。 把 yy 看成 xx 的函數,對 y2y^2 用連鎖律:

    2xa2−2yb2dydx=0⟹xa2=y y′b2\frac{2x}{a^2}-\frac{2y}{b^2}\frac{dy}{dx}=0 \quad\Longrightarrow\quad \frac{x}{a^2}=\frac{y\,y'}{b^2}

    原式右邊的常數 11 已經消失了——現在我們手上有一條連結 a2a^2 與 b2b^2 的關係式。

  3. 再微分第二次。 對 xa2=y y′b2\dfrac{x}{a^2}=\dfrac{y\,y'}{b^2} 微分,並對 y y′y\,y' 用乘積律:

    1a2=(y′)2+y y′′b2\frac{1}{a^2}=\frac{(y')^2+y\,y''}{b^2}

  4. 兩式相除,一次消掉兩個常數。 兩條方程式都長成(某個東西)/a2/a^2 =(某個東西)/b2/b^2 的形式,所以第一式除以第二式時,比值 b2/a2b^2/a^2 會被約掉:

    x/a21/a2=y y′/b2((y′)2+y y′′)/b2⟹x=y y′(y′)2+y y′′\frac{x/a^2}{1/a^2}=\frac{y\,y'/b^2}{\left((y')^2+y\,y''\right)/b^2}\quad\Longrightarrow\quad x=\frac{y\,y'}{(y')^2+y\,y''}

    這就是這個方法最省力的地方:一次相除同時消掉 aa 與 bb,不必分別把它們解出來。

  5. 去分母,得到微分方程。

    x[(dydx)2+y d2ydx2]=y dydxx\left[\left(\frac{dy}{dx}\right)^2+y\,\frac{d^2y}{dx^2}\right]=y\,\frac{dy}{dx}

    或者把所有項移到同一邊寫成

    x y y′′+x (y′)2−y y′=0x\,y\,y''+x\,(y')^2-y\,y'=0

    式子裡不再出現 aa 或 bb,所以它對這一族的每一條曲線都成立——而這正是「這一族曲線的微分方程」的意思。

  6. 用一條具體的曲線驗證。 取 a=2a=2、b=3b=3,即 y=3x2/4−1y=3\sqrt{x^2/4-1},並在 x=3x=3 求值:此時 y=3.354102y=3.354102、y′=2.012461y'=2.012461、y′′=−0.536656y''=-0.536656。則

    x[(y′)2+y y′′]=3[4.050+(−1.800)]=6.750,y y′=3.354102×2.012461=6.750x\left[(y')^2+y\,y''\right]=3\left[4.050+(-1.800)\right]=6.750,\qquad y\,y'=3.354102\times 2.012461=6.750

    兩邊相符;換不同的 a,ba,b 再驗一次也同樣相符——這確認了常數真的被消掉了。

Answer

x[(dydx)2+y d2ydx2]=y dydxx\left[\left(\frac{dy}{dx}\right)^2 + y\,\frac{d^2y}{dx^2}\right] = y\,\frac{dy}{dx}

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