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设在内具有三阶连续导数,且存在可微函数使。
  1. (1) 证明,其中为常数;
  2. (2) 设,求。

答案

第 1 问

证明见解析

第 2 问

,

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第 1 问

记 、,并令 。因 有三阶连续导数, 在 上具有连续一阶偏导。由 、 可知 的二阶偏导连续,故 。
分别计算得

因此 ,即

每个 均可由 取得,上式在整个区间 成立。导数恒为零的函数在区间上为常数,故 ,证毕。

第 2 问

由第(1)问,。令 ,利用 、,得到 ,故 。
齐次特征方程 的根为 ,齐次通解为 。设特解 ,代入得 ,所以 。从而

由 、,得到

解得 、,故 ,。
此时 ,,可见三个初值及 均满足。该函数光滑,且使 ;区域 的两个连通分支分别为第一、第三象限,均单连通,因此各分支上存在原函数,合在一起即为题设要求的 。