题目
解方程 '=cos (x+y).

题目解答
答案

解析
考查要点:本题主要考查一阶微分方程的变量代换解法,特别是通过恰当的变量替换将方程转化为可分离变量的形式,进而求解。
解题核心思路:
- 变量代换:令$u = x + y$,将原方程中的复杂组合$x + y$简化为单一变量$u$。
- 方程变形:利用导数的链式法则,将原方程转化为关于$u$的微分方程。
- 三角恒等式:将$\cos u + 1$转化为$2\cos^2\frac{u}{2}$,简化积分过程。
- 分离变量积分:通过分离变量法求解微分方程,并回代变量得到通解。
破题关键点:
- 选择正确的代换变量$u = x + y$,简化方程结构。
- 灵活应用三角恒等式简化被积表达式。
- 正确处理积分常数,确保通解的完整性。
步骤1:变量代换
令$u = x + y$,则$u' = 1 + y'$(根据导数的加法法则)。
原方程$y' = \cos(x + y)$可改写为:
$u' - 1 = \cos u \quad \Rightarrow \quad u' = \cos u + 1.$
步骤2:三角恒等式变形
利用恒等式$\cos u + 1 = 2\cos^2\frac{u}{2}$,方程变为:
$u' = 2\cos^2\frac{u}{2}.$
步骤3:分离变量
将方程改写为:
$\frac{du}{2\cos^2\frac{u}{2}} = dx.$
步骤4:积分求解
对两边积分:
$\int \frac{1}{2\cos^2\frac{u}{2}} du = \int dx.$
令$t = \frac{u}{2}$,则$du = 2dt$,左边积分变为:
$\int \frac{1}{2\cos^2 t} \cdot 2 dt = \int \sec^2 t \, dt = \tan t + C = \tan\frac{u}{2} + C.$
右边积分结果为$x + C$。
因此得到:
$\tan\frac{u}{2} = x + C.$
步骤5:回代变量
将$u = x + y$代入,得通解:
$\tan\frac{x + y}{2} = x + C.$