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数学
题目

3.设积分I=int_(L)F(x,y)(ydx+x dy)与路径无关,且F(x,y)=0确定的隐函数的图形过点(1,2)且与坐标轴无交点,其中F(x,y)可微,则F(x,y)=0确定的隐函数为_____.

3.设积分$I=\int_{L}F(x,y)(ydx+x dy)$与路径无关,且F(x,y)=0确定的隐函数的图形过点(1,2)且与坐标轴无交点,其中F(x,y)可微,则F(x,y)=0确定的隐函数为_____.

题目解答

答案

由积分与路径无关的条件,得:
$\frac{\partial}{\partial y}[F(x,y)y] = \frac{\partial}{\partial x}[F(x,y)x] \implies F_y y + F = F_x x + F \implies F_y y = F_x x.$
利用隐函数求导法则:
$\frac{dy}{dx} = -\frac{F_x}{F_y} = -\frac{y}{x}.$
分离变量并积分:
$\int \frac{dy}{y} = -\int \frac{dx}{x} \implies \ln|y| = -\ln|x| + C \implies \ln|xy| = C \implies xy = k.$
过点 $(1,2)$,得 $ k = 2 $。
答案: $\boxed{xy = 2}$

解析

本题主要考查曲线积分与路径无关的条件、隐函数求导法则以及一阶微分方程的求解。解题的关键思路是先根据曲线积分与路径无关的条件得出关于函数$F(x,y)$的偏导数关系,再利用隐函数求导法则得到隐函数所满足的微分方程,最后通过分离变量法求解该微分方程,并结合已知点确定方程中的常数。

  1. 根据曲线积分与路径无关的条件得到偏导数关系:
    已知积分$I = \int_{L}F(x,y)(ydx + xdy)$与路径无关,根据曲线积分与路径无关的充要条件$\frac{\partial P}{\partial y}=\frac{\partial Q}{\partial x}$,这里$P = F(x,y)y$,$Q = F(x,y)x$。
    对$P$关于$y$求偏导数:
    根据乘积的求导法则$(uv)^\prime = u^\prime v + uv^\prime$,其中$u = F(x,y)$,$v = y$,可得$\frac{\partial}{\partial y}[F(x,y)y]=F_y y + F$。
    对$Q$关于$x$求偏导数:
    同理,$\frac{\partial}{\partial x}[F(x,y)x]=F_x x + F$。
    因为$\frac{\partial P}{\partial y}=\frac{\partial Q}{\partial x}$,所以$F_y y + F = F_x x + F$,两边同时减去$F$,得到$F_y y = F_x x$。
  2. 利用隐函数求导法则得到微分方程:
    设$F(x,y)=0$确定的隐函数为$y = y(x)$,根据隐函数求导法则$\frac{dy}{dx}=-\frac{F_x}{F_y}$。
    由$F_y y = F_x x$可得$\frac{F_x}{F_y}=\frac{y}{x}$,所以$\frac{dy}{dx}=-\frac{y}{x}$。
  3. 求解一阶微分方程:
    将$\frac{dy}{dx}=-\frac{y}{x}$进行分离变量,得到$\frac{dy}{y}=-\frac{dx}{x}$。
    两边同时积分:
    $\int \frac{dy}{y}=-\int \frac{dx}{x}$。
    根据积分公式$\int \frac{1}{u}du=\ln|u| + C$,可得$\ln|y| = -\ln|x| + C$。
    根据对数运算法则$\ln a + \ln b = \ln(ab)$,将上式变形为$\ln|xy| = C$。
    两边同时取指数,得到$xy = e^C$,令$k = e^C$,则$xy = k$。
  4. 确定常数$k$的值:
    因为隐函数的图形过点$(1,2)$,将$x = 1$,$y = 2$代入$xy = k$,可得$1\times2 = k$,即$k = 2$。
    所以$F(x,y)=0$确定的隐函数为$xy = 2$。

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