(1)从相切条件读出初值。曲线与 y=x 相切于原点,故 y(0)=0、y′(0)=1。由切线倾角关系 tanα=y′,求导得 (1+(y′)2)α′=y′′。结合题设 α′=y′,得到 y′′=y′(1+(y′)2)。
(2)降阶并分离变量。令 p=y′,则 p′=p(1+p2)、p(0)=1。右端关于 p 光滑,初值问题解唯一;零解不能与所求解相交,故在含零点的存在区间上 p>0。于是
∫p(1+p2)dp=∫dx,p(1+p2)1=p1−1+p2p.
积分得 lnp−21ln(1+p2)=x+C1,即 1+p2p=Aex,其中 A>0。代入 p(0)=1 得 A=21。
(3)确定正分支。两边均为正,平方可得 (1+p2)p2=2e2x,即 p2=(2−e2x)e2x。由 p>0,得到
y′=p=2−e2xex,x<2ln2.
该范围保证根号内严格为正。
(4)再积分。令 t=ex,则 dt=exdx,所以
y=∫2−t2dt=arcsin2t+C2=arcsin2ex+C2.
代入 y(0)=0 得 C2=−4π,故 y=arcsin(2ex)−4π,x<2ln2。
(5)核对条件。该式给出 y′=2−e2xex、y′′=(2−e2x)232ex,从而 [1+(y′)2]y′′=y′。且 y(0)=0、y′(0)=1,满足原点相切条件;此分支 y′>0,倾角取 (0,2π) 内的值。