下册 9.2 第二型曲线积分 第23题
📝 题目
23.求末知函数.
(1)设 $Q(x, y)$ 有连续的一阶偏导数,积分 $\int_{L} 2 x y \mathrm{~d} x+Q \mathrm{~d} y$ 完全决定于 $L$ 的起点与终点,且对任何实数 $t$ 成立等式: $\int_{(0,0)}^{(t, 1)} 2 x y \mathrm{~d} x+Q \mathrm{~d} y=\int_{(0,0)}^{(1, t)} 2 x y \mathrm{~d} x+Q \mathrm{~d} y$ ,求函数 $Q(x, y)$ 。
(2)设 $Q(x, y)$ 有连续的一阶偏导数,积分 $\int_{L} 3 x^{2} y \mathrm{~d} x+Q \mathrm{~d} y$ 完全决定于 $L$ 的起点与终点,且对任何实数 $z$ 成立等式: $\int_{(0,0)}^{(z, 1)} 3 x^{2} y \mathrm{~d} x+Q \mathrm{~d} y=\int_{(0,0)}^{(1, z)} 3 x^{2} y \mathrm{~d} x+Q \mathrm{~d} y$ ,求函数 $Q(x, y)$ 。华中科大2005)
💡 答案解析
\section*{解题过程:}
(1)由题设条件有 $\displaystyle \frac{\partial Q}{\partial x}=2 x$ 。于是 $Q(x, y)=x^{2}+\varphi(y)$ ,其中 $\varphi(y)$ 待定。由条件
$$
\begin{aligned}
& \int_{(0,0)}^{(t, 1)} 2 x y \mathrm{~d} x+Q(x, y) \mathrm{d} y=\int_{(0,0)}^{(1, t)} 2 x y \mathrm{~d} x+Q(x, y) \mathrm{d} y \\
& \left.\left(x^{2} y+\int_{0}^{y} \varphi(s) \mathrm{d} s\right)\right|_{(0,0)} ^{(t, 1)}=\left.\left(x^{2} y+\int_{0}^{y} \varphi(s) \mathrm{d} s\right)\right|_{(0,0)} ^{(1, t)} .
\end{aligned}
$$
得
$$
\int_{0}^{1}\left(t^{2}+\varphi(y)\right) \mathrm{d} y=\int_{0}^{1}(1+\varphi(y)) \mathrm{d} y .
$$
化简得
两边对 $t$ 求导得 $2 t=1+\varphi(t)$ ,即 $\varphi(y)=2 y-1$ 。所以 $Q(x, y)=x^{2}+2 y-1$ .
(2)由题设条件有 $Q_{x}=\left(3 x^{2} y\right)_{y}=3 x^{2}$ .因此 $Q(x, y)=x^{3}+\varphi(y)$ .
另一方面,对任何实数 $z$ 成立等式 $\int_{(0,0)}^{(z, 1)} 3 x^{2} y \mathrm{~d} x+Q \mathrm{~d} y=\int_{(0,0)}^{(1, z)} 3 x^{2} y \mathrm{~d} x+Q \mathrm{~d} y$ 。故
$$
\int_{(0,0)}^{(0,1)} 3 x^{2} y \mathrm{~d} x+Q \mathrm{~d} y+\int_{(0,1)}^{(2,1)} 3 x^{2} y \mathrm{~d} x+Q \mathrm{~d} y=\int_{(0,0)}^{(1,0)} 3 x^{2} y \mathrm{~d} x+Q \mathrm{~d} y+\int_{(1,0)}^{(1,2)} 3 x^{2} y \mathrm{~d} x+Q \mathrm{~d} y .
$$
即
$$
\int_{0}^{1} Q(0, y) \mathrm{d} y+\int_{0}^{2} 3 x^{2} \cdot \mathrm{ld} x=\int_{0}^{1} 3 x^{2} \cdot 0 \mathrm{~d} x+Q(x, 0) \mathrm{d} 0+\int_{0}^{2}\left(3 \cdot 1^{2} \cdot y \mathrm{~d} 1+Q(1, y) \mathrm{d} y\right) .
$$
所以
$$
\int_{0}^{1} Q(0, y) \mathrm{d} y+\left.x^{3}\right|_{0} ^{2}=\int_{0}^{z} Q(1, y) \mathrm{d} y .
$$
把 $Q(x, y)=x^{3}+\varphi(y)$ 代入前式得
$$
\int_{0}^{1} \varphi(y) \mathrm{d} y+z^{3}=\int_{0}^{2}(1+\varphi(y)) \mathrm{d} y .
$$
等式两边对 $z$ 求导得 $3 z^{2}=1+\varphi(z)$ 。所以 $\varphi(y)=3 y^{2}-1$ 。从而 $\varphi(x, y)=x^{3}+\varphi(y)=x^{3}+3 y^{2}-1$ .
📋 详细解题步骤
步骤 1/8
目标:利用积分与路径无关的条件求偏导关系
积分与路径无关等价于被积表达式是某个函数的全微分,即存在函数 $F(x,y)$ 使得 $dF = 2xy dx + Q dy$。因此有 $\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial (2xy)}{\partial y} = 2x$。
公式:$\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial (2xy)}{\partial y}$
提示:注意积分与路径无关的条件:$\frac{\partial P}{\partial y} = \frac{\partial Q}{\partial x}$,其中 $P=2xy$。
步骤 2/8
目标:积分得到Q的表达式
由 $\frac{\partial Q}{\partial x}=2x$,对 $x$ 积分得 $Q(x,y)=x^2+\varphi(y)$,其中 $\varphi(y)$ 是待定函数。
公式:$Q(x,y)=x^2+\varphi(y)$
提示:积分时注意将 $y$ 视为常数,积分后加上关于 $y$ 的任意函数。
步骤 3/8
目标:利用等式条件建立方程
由于积分与路径无关,可选取折线路径计算积分。设 $F(x,y)=x^2y+\int_0^y \varphi(s)ds$ 为原函数。则条件等式化为:$F(t,1)-F(0,0)=F(1,t)-F(0,0)$,即 $F(t,1)=F(1,t)$。代入得 $t^2\cdot1+\int_0^1\varphi(s)ds = 1^2\cdot t+\int_0^t\varphi(s)ds$,即 $t^2+\int_0^1\varphi(s)ds = t+\int_0^t\varphi(s)ds$。
公式:$F(t,1)=F(1,t)$
提示:注意原函数 $F$ 的构造:$F(x,y)=x^2y+\int_0^y\varphi(s)ds$,因为 $\frac{\partial F}{\partial x}=2xy$,$\frac{\partial F}{\partial y}=x^2+\varphi(y)$。
步骤 4/8
目标:对t求导得到φ(y)
将等式 $t^2+\int_0^1\varphi(s)ds = t+\int_0^t\varphi(s)ds$ 两边对 $t$ 求导,得 $2t = 1+\varphi(t)$,所以 $\varphi(t)=2t-1$,即 $\varphi(y)=2y-1$。
公式:$2t = 1+\varphi(t)$
提示:求导时注意 $\int_0^1\varphi(s)ds$ 是常数,导数为0;$\int_0^t\varphi(s)ds$ 的导数为 $\varphi(t)$。
步骤 5/8
目标:得出Q(x,y)的表达式
代入 $Q(x,y)=x^2+\varphi(y)=x^2+2y-1$。
公式:$Q(x,y)=x^2+2y-1$
提示:检查结果是否满足原条件。
步骤 6/8
目标:第二问:利用路径无关条件求偏导
类似地,积分与路径无关,有 $\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial (3x^2y)}{\partial y}=3x^2$。
公式:$\frac{\partial Q}{\partial x}=3x^2$
提示:注意被积函数 $P=3x^2y$。
步骤 7/8
目标:积分得到Q的表达式
对 $x$ 积分得 $Q(x,y)=x^3+\varphi(y)$。
公式:$Q(x,y)=x^3+\varphi(y)$
提示:同上。
步骤 8/8
目标:利用等式条件建立方程并求解
取折线路径,原函数 $F(x,y)=x^3y+\int_0^y\varphi(s)ds$。条件 $F(z,1)=F(1,z)$ 给出 $z^3\cdot1+\int_0^1\varphi(s)ds = 1^3\cdot z+\int_0^z\varphi(s)ds$,即 $z^3+\int_0^1\varphi(s)ds = z+\int_0^z\varphi(s)ds$。两边对 $z$ 求导得 $3z^2=1+\varphi(z)$,所以 $\varphi(z)=3z^2-1$,即 $\varphi(y)=3y^2-1$。因此 $Q(x,y)=x^3+3y^2-1$。
公式:$3z^2=1+\varphi(z)$
提示:注意求导时 $\int_0^1\varphi(s)ds$ 是常数。
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