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已知微分方程,其中是上的连续函数。
  1. (1) 若,求微分方程的通解;
  2. (2) 若为以为周期的函数,证明方程存在唯一的以为周期的解。

答案

第 1 问

第 2 问

证明见解析
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第 1 问

当 时,方程为 。乘积分因子 ,得到 。分部积分得

因此通解为 ,其中 为任意常数。求导并相加,得到 。

第 2 问

(1)写出全部解。设 且 。乘积分因子 ,从 到 积分,得

因为 在实轴上连续,该式对所有实数 有定义,并给出方程全部解;每个初值 恰好对应一个解。

(2)证明周期性等价于首尾值相等。必要性显然:若 以 为周期,则 。反之,若某解满足该等式,令 。由 的周期性,,且 。由第一步的初值唯一性, 对全部实数 成立,即 以 为周期。

(3)确定唯一初值。条件 等价于

由于 ,有 ,所以唯一解为 。将此值代入第一步,便得到唯一的 周期解

这里以 为周期不要求 一定是最小正周期。