8、已知f(x)在(-∞,+∞)上可导,且满足方程xf(x)-4int_(1)^xf(t)dt=x^3-3,求f(x).
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查积分方程转化为微分方程的能力,以及一阶线性微分方程的解法。关键在于通过求导消去积分项,得到微分方程后,利用积分因子法求解。
解题思路:
- 对方程两边求导,利用微积分基本定理处理积分项,将积分方程转化为微分方程。
- 整理方程为一阶线性微分方程的标准形式。
- 计算积分因子,求出通解。
- 代入初始条件确定常数,得到特解。
步骤1:对方程两边求导
原方程:
$x f(x) - 4 \int_{1}^{x} f(t) \, dt = x^3 - 3$
对两边求导:
- 左边第一项导数为 $f(x) + x f'(x)$(乘积法则)。
- 左边第二项导数为 $-4 f(x)$(积分上限求导法则)。
- 右边导数为 $3x^2$。
整理得:
$f(x) + x f'(x) - 4 f(x) = 3x^2 \implies x f'(x) - 3 f(x) = 3x^2$
步骤2:整理为标准微分方程
将方程两边除以 $x$:
$f'(x) - \frac{3}{x} f(x) = 3x$
此时方程为一阶线性微分方程,标准形式为:
$f'(x) + P(x) f(x) = Q(x)$
其中 $P(x) = -\frac{3}{x}$,$Q(x) = 3x$。
步骤3:求积分因子
积分因子为:
$\mu(x) = e^{\int P(x) \, dx} = e^{-\int \frac{3}{x} \, dx} = e^{-3 \ln x} = x^{-3}$
步骤4:求通解
将方程两边乘以积分因子:
$x^{-3} f'(x) - 3 x^{-4} f(x) = 3x^{-2}$
左边为 $\frac{d}{dx} \left( x^{-3} f(x) \right)$,积分得:
$x^{-3} f(x) = \int 3x^{-2} \, dx = -\frac{3}{x} + C$
解得通解:
$f(x) = x^3 \left( -\frac{3}{x} + C \right) = -3x^2 + C x^3$
步骤5:确定常数 $C$
代入原方程中 $x=1$ 的情况:
$1 \cdot f(1) - 4 \int_{1}^{1} f(t) \, dt = 1^3 - 3 \implies f(1) = -2$
代入通解:
$-2 = -3(1)^2 + C(1)^3 \implies C = 1$
最终解
$f(x) = x^3 - 3x^2 = x^2(x - 3)$