人邮高数 第7章 第7-5-11题

[AI解答]

[AI解答] 我们首先判断给定的表达式是否为某个函数 $ u(x, y) $ 的全微分。 设 $$ P(x, y) = \frac{3y - x}{(x+y)^3}, \quad Q(x, y) = \frac{y - 3x}{(x+y)^3}. $$ 全微分的充要条件是 $$ \frac{\partial P}{\partial y} = \frac{\partial Q}{\partial x}. $$ 先计算 $\frac{\partial P}{\partial y}$： $$ P = (3y - x)(x+y)^{-3} $$ 对 $y$ 求偏导： $$ \frac{\partial P}{\partial y} = 3(x+y)^{-3} + (3y - x)(-3)(x+y)^{-4}. $$ 化简： $$ = \frac{3}{(x+y)^3} - \frac{3(3y - x)}{(x+y)^4} = \frac{3(x+y) - 3(3y - x)}{(x+y)^4} = \frac{3x+3y - 9y + 3x}{(x+y)^4} = \frac{6x - 6y}{(x+y)^4}. $$ 再计算 $\frac{\partial Q}{\partial x}$： $$ Q = (y - 3x)(x+y)^{-3} $$ 对 $x$ 求偏导： $$ \frac{\partial Q}{\partial x} = -3(x+y)^{-3} + (y - 3x)(-3)(x+y)^{-4} = -\frac{3}{(x+y)^3} - \frac{3(y-3x)}{(x+y)^4}. $$ 通分： $$ = \frac{-3(x+y) - 3(y-3x)}{(x+y)^4} = \frac{-3x -3y -3y + 9x}{(x+y)^4} = \frac{6x - 6y}{(x+y)^4}. $$ 两者相等，因此该表达式是某个函数 $u(x, y)$ 的全微分。

现在求 $u(x, y)$： 由 $$ \frac{\partial u}{\partial x} = P = \frac{3y - x}{(x+y)^3} $$ 对 $x$ 积分： 令 $t = x+y$，则 $dx = dt$，但注意 $y$ 视为常数，所以直接积分： $$ u = \int \frac{3y - x}{(x+y)^3} \, dx. $$ 拆分为 $$ u = \int \frac{3y}{(x+y)^3} \, dx - \int \frac{x}{(x+y)^3} \, dx. $$ 第一项： $$ \int \frac{3y}{(x+y)^3} \, dx = 3y \cdot \frac{(x+y)^{-2}}{-2} = -\frac{3y}{2(x+y)^2}. $$ 第二项：用分部积分或直接公式： $$ \int \frac{x}{(x+y)^3} \, dx, $$ 令 $t = x+y$，则 $x = t - y$，$dx = dt$， $$ \int \frac{t-y}{t^3} dt = \int \left( \frac{1}{t^2} - \frac{y}{t^3} \right) dt = -\frac{1}{t} + \frac{y}{2t^2}. $$ 代回 $t = x+y$： $$ \int \frac{x}{(x+y)^3} dx = -\frac{1}{x+y} + \frac{y}{2(x+y)^2}. $$ 因此 $$ u = -\frac{3y}{2(x+y)^2} - \left( -\frac{1}{x+y} + \frac{y}{2(x+y)^2} \right) + C(y) $$ $$ = -\frac{3y}{2(x+y)^2} + \frac{1}{x+y} - \frac{y}{2(x+y)^2} + C(y) $$ $$ = \frac{1}{x+y} - \frac{4y}{2(x+y)^2} + C(y) = \frac{1}{x+y} - \frac{2y}{(x+y)^2} + C(y). $$ 化简： $$ \frac{1}{x+y} - \frac{2y}{(x+y)^2} = \frac{x+y - 2y}{(x+y)^2} = \frac{x - y}{(x+y)^2}. $$ 所以 $$ u = \frac{x - y}{(x+y)^2} + C(y). $$ 再对 $y$ 求偏导，应等于 $Q$： $$ \frac{\partial u}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y} \left( \frac{x-y}{(x+y)^2} \right) + C'(y). $$ 先求 $$ \frac{\partial}{\partial y} \left( \frac{x-y}{(x+y)^2} \right) $$ 设分子 $N = x-y$，分母 $D = (x+y)^2$， $$ \frac{\partial}{\partial y} = \frac{(-1)(x+y)^2 - (x-y)\cdot 2(x+y)}{(x+y)^4} = \frac{-(x+y)^2 - 2(x-y)(x+y)}{(x+y)^4} = \frac{-(x+y) - 2(x-y)}{(x+y)^3} = \frac{-x - y - 2x + 2y}{(x+y)^3} = \frac{-3x + y}{(x+y)^3}. $$ 而 $Q = \frac{y-3x}{(x+y)^3}$，两者相等，因此 $$ \frac{-3x + y}{(x+y)^3} + C'(y) = \frac{y-3x}{(x+y)^3} $$ 所以 $C'(y) = 0$，即 $C(y)$ 为常数。

因此所求函数为 $$ u(x, y) = \frac{x - y}{(x+y)^2} + C. $$

难度：★★☆☆☆