2017年考研数学二第12题

填空题 · 4分

📝 题目

设函数 $f(x, y)$ 具有一阶连续偏导数,且 $\mathrm{d} f(x, y)=y \mathrm{e}^{y} \mathrm{~d} x+x(1+y) \mathrm{e}^{y} \mathrm{~d} y, f(0,0)=0$ ,则 $f(x, y)=$ $\_\_\_\_$。

💡 答案解析

**答案**: $x y \mathrm{e}^{y}$ .

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**解析**:

方法一 由 $\mathrm{d} f(x, y)=y \mathrm{e}^{y} \mathrm{~d} x+x(1+y) \mathrm{e}^{y} \mathrm{~d} y=\mathrm{d}\left(x y \mathrm{e}^{y}\right)$ ,得 $f(x, y)=x y \mathrm{e}^{y}+C$ ,再由 $f(0,0)=0$ ,得 $C=0$ ,故 $f(x, y)=x y \mathrm{e}^{y}$ 。 方法二 $\quad \displaystyle\frac{\partial f}{\partial x}=y \mathrm{e}^{y}, \quad \displaystyle\frac{\partial f}{\partial y}=x(1+y) \mathrm{e}^{y}$ , 由 $\displaystyle\frac{\partial f}{\partial x}=y \mathrm{e}^{y}$ 得 $f(x, y)=\displaystyle\int y \mathrm{e}^{y} \mathrm{~d} x=x y \mathrm{e}^{y}+C$ , 再由 $f(0,0)=0$ 得 $C=0$ ,故 $f(x, y)=x y \mathrm{e}^{y}$ 。

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:识别全微分并建立偏导数关系
题目中给出一个全微分形式:$df = y e^y dx + x(1+y)e^y dy$。根据全微分的定义,若函数 $f(x,y)$ 可微,则其全微分为 $df = \frac{\partial f}{\partial x} dx + \frac{\partial f}{\partial y} dy$。因此,我们可以直接比较系数,得到偏导数关系: $$\frac{\partial f}{\partial x} = y e^y, \quad \frac{\partial f}{\partial y} = x(1+y)e^y.$$ 注意,这里 $\frac{\partial f}{\partial x}$ 只含有 $y$,不含 $x$,这提示我们对 $x$ 积分时,$f(x,y)$ 应具有形式 $f(x,y) = x y e^y + \varphi(y)$,其中 $\varphi(y)$ 是仅依赖于 $y$ 的函数。同时,由 $\frac{\partial f}{\partial y}$ 的表达式可以进一步确定 $\varphi(y)$。这一步的关键是正确识别全微分形式,并建立两个偏导数的等式关系,为后续积分求解 $f(x,y)$ 做好准备。
公式:\frac{\partial f}{\partial x} = y e^y, \quad \frac{\partial f}{\partial y} = x(1+y)e^y
提示:直接比较全微分表达式中的系数即可得到偏导数,注意区分变量。
步骤 2/3
目标:对其中一个偏导数积分求原函数
已知函数 $f(x,y)$ 满足 $f_x(x,y) = y e^y$,且 $f_y(x,y) = x e^y + x y e^y$。 对 $f_x$ 关于 $x$ 积分,将 $y$ 视为常数: $$f(x,y) = \int f_x(x,y) \, dx = \int y e^y \, dx = x y e^y + g(y)$$ 其中 $g(y)$ 是仅依赖于 $y$ 的待定函数。 接下来,利用 $f_y$ 的条件确定 $g(y)$。对上述表达式关于 $y$ 求偏导: $$f_y(x,y) = \frac{\partial}{\partial y} \left( x y e^y + g(y) \right) = x e^y + x y e^y + g'(y)$$ 与已知的 $f_y(x,y) = x e^y + x y e^y$ 比较,可得: $$x e^y + x y e^y + g'(y) = x e^y + x y e^y$$ 消去相同项后得到 $g'(y) = 0$,因此 $g(y) = C$,$C$ 为常数。 于是原函数为: $$f(x,y) = x y e^y + C$$ 此步骤完成了对偏导数的积分,并利用另一个偏导数确定了待定函数,得到了含有任意常数 $C$ 的原函数表达式。
公式:$$f(x,y) = \int f_x \, dx = x y e^y + g(y)$$
提示:对偏导数积分时,将其他变量视为常数,并加上一个仅关于其他变量的待定函数。
步骤 3/3
目标:利用另一个偏导数确定待定函数并代入初始条件
由前两步已知,函数 $f(x,y)$ 满足 $f_x = y e^y$,积分得 $f(x,y) = x y e^y + g(y)$,其中 $g(y)$ 为待定函数。对 $f$ 关于 $y$ 求偏导: $$ f_y = \frac{\partial}{\partial y} \left( x y e^y + g(y) \right) = x e^y + x y e^y + g'(y) = x e^y (1 + y) + g'(y). $$ 已知条件中 $f_y = x e^y (1 + y)$,比较得 $g'(y) = 0$,故 $g(y) = C$(常数)。代入初始条件 $f(0,0) = 0$: $$ f(0,0) = 0 \cdot 0 \cdot e^0 + C = 0 \quad \Rightarrow \quad C = 0. $$ 因此 $g(y) = 0$,最终得到 $f(x,y) = x y e^y$。 验证:计算 $f_x = y e^y$,$f_y = x e^y + x y e^y = x e^y (1+y)$,且 $f(0,0)=0$,满足所有条件。
公式:f(x,y) = x y e^y
提示:比较 $f_y$ 时注意将含 $g'(y)$ 的项与已知表达式逐项对照。

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