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数学
题目

注 类似地,已知函数f(x,y)满足df(x,y)=(xdy-ydx)/(x^2)+y^(2),f(1,1)=(pi)/(4),则f(sqrt(3),3)=__.

注 类似地, 已知函数f(x,y)满足$df(x,y)=\frac{xdy-ydx}{x^{2}+y^{2}}$,$f(1,1)=\frac{\pi}{4}$,则$f(\sqrt{3},3)=\_\_. $

题目解答

答案

已知全微分 $ df(x, y) = \frac{xdy - ydx}{x^2 + y^2} $,可对应函数 $ f(x, y) = \arctan\left(\frac{y}{x}\right) $,因为其全微分满足该形式。由初始条件 $ f(1, 1) = \frac{\pi}{4} $,得常数 $ C = 0 $。因此, \[ f(x, y) = \arctan\left(\frac{y}{x}\right). \] 代入 $ x = \sqrt{3} $,$ y = 3 $,得 \[ f(\sqrt{3}, 3) = \arctan\left(\frac{3}{\sqrt{3}}\right) = \arctan(\sqrt{3}) = \frac{\pi}{3}. \] 答案:$\boxed{\frac{\pi}{3}}$

解析

考查要点:本题主要考查全微分方程的求解,以及利用已知条件确定函数的具体表达式。关键在于识别出给定的微分形式对应于某个已知函数的全微分。

解题思路:

  1. 识别全微分形式:将给定的微分表达式分解为$\frac{\partial f}{\partial x}$和$\frac{\partial f}{\partial y}$的形式。
  2. 猜测原函数:通过观察分母$x^2 + y^2$和分子结构,联想到$\arctan\left(\frac{y}{x}\right)$的偏导数形式。
  3. 验证偏导数:计算猜测函数的偏导数,确认是否与题目给出的微分一致。
  4. 确定常数项:利用初始条件$f(1,1) = \frac{\pi}{4}$确定函数中的常数项。
  5. 代入求值:将目标点$(\sqrt{3}, 3)$代入最终函数表达式。

破题关键:识别出$\arctan\left(\frac{y}{x}\right)$的全微分形式与题目一致,并正确应用初始条件确定常数。

步骤1:分解全微分表达式

将题目给出的全微分表达式分解为偏导数形式:
$df = \frac{x \, dy - y \, dx}{x^2 + y^2} = \left( \frac{-y}{x^2 + y^2} \right) dx + \left( \frac{x}{x^2 + y^2} \right) dy.$
因此,偏导数为:
$\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{-y}{x^2 + y^2}, \quad \frac{\partial f}{\partial y} = \frac{x}{x^2 + y^2}.$

步骤2:猜测原函数

观察分母$x^2 + y^2$和分子结构,联想到$\arctan\left(\frac{y}{x}\right)$的偏导数:

  • 对$x$求偏导:
    $\frac{\partial}{\partial x} \arctan\left(\frac{y}{x}\right) = \frac{1}{1 + \left(\frac{y}{x}\right)^2} \cdot \left( -\frac{y}{x^2} \right) = \frac{-y}{x^2 + y^2}.$
  • 对$y$求偏导:
    $\frac{\partial}{\partial y} \arctan\left(\frac{y}{x}\right) = \frac{1}{1 + \left(\frac{y}{x}\right)^2} \cdot \frac{1}{x} = \frac{x}{x^2 + y^2}.$
    因此,原函数可设为:
    $f(x, y) = \arctan\left(\frac{y}{x}\right) + C.$

步骤3:确定常数$C$

利用初始条件$f(1, 1) = \frac{\pi}{4}$:
$\arctan\left(\frac{1}{1}\right) + C = \frac{\pi}{4} \implies \frac{\pi}{4} + C = \frac{\pi}{4} \implies C = 0.$
因此,函数为:
$f(x, y) = \arctan\left(\frac{y}{x}\right).$

步骤4:代入目标点

计算$f(\sqrt{3}, 3)$:
$f(\sqrt{3}, 3) = \arctan\left(\frac{3}{\sqrt{3}}\right) = \arctan(\sqrt{3}) = \frac{\pi}{3}.$

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