1知识回顾
1.1 空间解析几何
这一章就考试而言并不是重点,但关键在于通过对高中向量知识的补充深入奠定后续曲面积分章节的学习,是承前启后的一章.
1. 向量的基本运算
- 1.
点乘定义为
a⋅b=∣a∣∣b∣cosθ(a,b),
(1.1)
叉乘a×b产生一个由右手法则确定方向、大小为
∣a×b∣=∣a∣∣b∣sinθ(a,b)
(1.2)
的向量. 其中值得强调的是叉乘的反对称性:a×b=−b×a.
- 2.
在平面直角坐标系下,设a=(x1,y1,z1), b=(x2,y2,z2),则
a⋅b=x1x2+y1y2+z1z2,a×b=x^y^z^x1y1z1x2y2z2. (1.3) - 3.
a,b共线的充要条件:a×b=0. a,b,c共面的充要条件:(a×b)⋅c=0.
2. 平面方程的构建
常见的构建方式有三种:
- 1.
截距式. 简单易懂,无需额外说明.
- 2.
构建平面法向量n. 这是最常遇到的情况,后续利用点法式可以给出平面方程. n的获得最常见的思路是想方设法找到该平面上的两个向量,利用叉乘构建.
- 3.
绕过定直线的平面. 若该直线给的是交面式
Aix+Biy+Ciz+Di=0,i=1,2.
(1.4)
这是最理想的情况. 由于直线上的点分别满足平面方程所要求的线性关系,因此这样的点也必然满足两个线性关系的线性叠加,因此绕该直线的平面可设为
(A1+λA2)x+(B1+λB2)y+(C1+λC2)z+(D1+λD2)=0,
(1.5)
其中λ可取到∞. 若该直线给的是点向式,则可利用“化归”的思想,利用参数式构造两个平面方程即可.
3. 直线方程的构建
空间直线方程的构建就比较简单直白了,特征量就是方向向量,比较常见的是找到直线某一法平面内两个向量,利用叉乘构建. 当然,对于存在绕定直线的平面时,有时也会使用表达更简便的交面式.
4. 空间中的位置关系
- 1.
对于平面,其位置关系无非相交(正交为特殊情形)、平行、重合,最后一种过于trivial不予讨论. 平行对应于n1//n2,不平行不重合即相交,正交对应于n1⋅n2=0。
特别地,对于处于角平分线上的平面,可将法向量单位化为n1′,n2′,则该平面的法向量为n1′±n2′,直线类似.
- 2.
对于直线,位置关系稍显复杂,有相交、平行、重合、异面. 平行对应于τ1//τ2,后三者的区别仅在于方程是否有唯一解1.
- 3.
对于直线与平面,无非相交、平行、包含三种关系. 平行对应于n⋅τ=0;包含对应于在平行的基础上任取直线上一点,验证其在平面上;除此之外为相交,特别地,正交满足n//τ.
5. 空间中的距离计算
距离公式本质上来源于d=P0P⟶⋅n/∣n∣和d=P0P⟶×τ/∣τ∣,两者分别是对于平面和直线而言的.
- 1.
两点间的距离公式:trivial.
- 2.
点P0(x0,y0,z0)到平面Ax+By+Cz+D=0的距离:取平面上任一点P(x,y,z),利用第一个公式可计算得
d=A2+B2+C2∣A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)∣=A2+B2+C2∣Ax0+By0+Cz0+D∣. (1.6) - 3.
点P0(x0′,y0′,z0′)到直线lx−x0=my−y0=nz−z0的距离:取直线上任一点P(x,y,z),利用第二个公式可计算得
d=l2+m2+n2∣(x−x0′,y−y0′,z−z0′)∣×(l,m,n)=l2+m2+n2∣(x0−x0′,y0−y0′,z0−z0′)×(l,m,n)∣. (1.7) - 4.
两平行平面πi:Ax+By+Cz+Di=0 (i=1,2)的距离公式:可取π1上一点P0(x0,y0,z0),则化为点到平面的距离,即
d=A2+B2+C2∣Ax0+By0+Cz0+D2∣=A2+B2+C2∣D2−D1∣. (1.8) - 5.
两平行直线li:lx−xi=my−yi=nz−zi间的距离:可取l1上一点P1(x1,y1,z2),则化为点到直线的距离,即
d=l2+m2+n2∣(x1−x2,y1−y2,z1−z2)×(l,m,n)∣. (1.9) - 6.
异面直线间的最短距离:两直线最短距离的方向必然与两者均垂直,首先利用方向向量的叉乘构造这一方向n=τ1×τ2. 再于两直线上各取一点,通常直接取点向式中给出的点P1(x1,y1,z1)和P2(x2,y2,z2),利用第一个公式可计算得
d=∣n∣P1P2⟶⋅n=∣(τ1×τ2)∣∣(τ1×τ2)⋅(x1−x2,y1−y2,z1−z2)∣. (1.10)
6. 常见二次曲面的识别
识别的方式通常为某一坐标取定值(相当于用平行于坐标平面的平面去截取曲面),判断各截面交线的形状.
- 1.
柱面:在应试中出现基本上是母线平行于坐标轴的情形,trivial.
- 2.
锥面:在应试中基本以z2=x2+y2或z=(±)x2+y2的形式出现,trivial.
- 3.
旋转曲面:某两个分量仅有二次项,且二次项系数相等,具体原因见旋转曲面的构建小小节.
- 4.
椭球面:x2/a2+y2/b2+z2/c2=1.
- 5.
双曲面:x2/a2+y2/b2−z2/c2=±1,其中单叶和双叶分别对应于+1和−1. 一个比较简单的区分方法是,分别取x,y,z为零,单叶双曲面始终与坐标平面有交线,而双叶双曲面与其一坐标平面不相交(实际上对应这里的负项−z2/c2).
- 6.
椭圆抛物面:z=x2/a2+y2/b2.
- 7.
双曲抛物面:z=x2/a2−y2/b2.
7. 旋转曲面的构建2
核心思路是,取转动轴的某一法平面,则对于旋转曲面上任一点P(x,y,z),其应当满足两个条件: (1) 点P在该平面上;(2) 记该平面与用于旋转的曲面交于P0(x0,y0,z0),则P与P0到旋转轴的距离相等. 原本空间坐标有3个自由度,引入法平面沿旋转轴滑移的自由度,再消去两个约束条件减少的自由度,最终根据这两个条件列出的方程组应当有2个自由度,符合空间曲面的自由度要求,条件完备.
1.2 多变量函数的微分学
尽管整个数学分析B2中更强调计算,这一章仍有不少繁杂困难的证明(相信大家在学单变量微分学的时候就感受到了),尤其是在期中考试里这部分占比会很大. 当然,抛开应试,本章本身就是相当重要的,含参变量积分的计算就是依托于此的,空间曲线切向量与空间曲面法向量的计算以及矢量场的微分更是曲面积分这一章的核心基础. 这对于对于物理学院的学生更是如此,掌握好偏微分能在理论力学课程中轻松不少,熟悉场论的梯度、散度、旋度能让你在电动力学课程中游刃有余. 总之这一章的实用性是非常强的,希望同学们能在这里多下点功夫,对相关定理与常用结论(不过不用太纠结于证明)要有清晰的印象.
1. 函数的极限与连续性
定义 1.1
[二元函数的极限] 对∀ε>0,总∃δ(ε,M0)>0,其中点M0(x0,y0),使得当
0<(x−x0)2+(y−y0)2<δ或0<∣x−x0∣<δ, 0<∣y−y0∣<δ (1.11)
时,0<∣f(x,y)−a∣<ε恒成立,则(x,y)→(x0,y0)limf(x,y)=a.
当然,一般要用ε-δ语言证明极限存在时,通常用后者,因为接近线性的运算通常要来得更简单. 并且要注意区分极限和累次极限y→y0limx→x0limf(x,y),这在之后的重积分和累次积分中同样会遇到类似的问题,容易想到的例子如x/y在原点的极限.
定义 1.2
[二元函数的连续性] 上述定义中,若a=f(x0,y0),则f(x,y)在点M0连续. 若对D上任一点满足δ=δ(ε),则f(x,y)在D上一致连续.
2. 偏导数与可微性
定义 1.3
[二元函数的偏导数]
fx(x0,y0)=x→x0limx−x0f(x,y)−f(x0,y0)=dxdf(x,y0)x=x0, (1.12)fy(x0,y0)=y→y0limy−y0f(x0,y)−f(x0,y)=dydf(x0,y)y=y0. (1.13)
类似地,可定义高阶偏导数.
若f(x,y)∈Cn(D),则f(x,y)在D中n阶偏导可交换.
定义 1.4
[二元函数的可微性] 记ρ=(Δx)2+(Δy)2,则
f(x,y)在M0(x0,y0)可微⟺ρ→0+limρΔf−fxΔx−fyΔyM0=0. (1.14)
3. 方向导数与梯度
定义 1.5
[二元函数的方向导数] 记l=l(cosα,cosβ),则
∂l∂fM0(x0,y0)=t→0limtf(x0+tcosα,y0+tsinα)−f(x0,y0), (1.15)
几何上,方向导数即f(x,y)在M0点沿l方向的单位增长率. 换言之,沿l方向增量Δf有多大,取决于方向导数与增量t的乘积.
注
教材更新后,方向导数的极限值由“射线型”的t→0+更改为“直线型”的t→0,要注意这一变化. 在去年期中考试课题组给的阅卷标准答案中,采用的方向导数定义也是后者,指向性明确.
定义 1.6
[二元函数的梯度] 若函数f可微,则
∇f=grad f=fxx^+fyy^⟹∂l∂f=∇f⋅ll.
(1.16)
梯度方向即f(x,y)增长率(绝对值)最高的方向,因为∂l∂f⩽∣∇f∣恒成立. 另外,∇⋅表示对向量场的散度,∇×表示对向量场的旋度,当然这是后话了. Nabla算子对标量场的作用满足Leibniz法则:
4. 梯度算符在不同(空间)坐标系下的表示
首先应当明确的一点是,无论是Nabla还是Laplacian,其本身都是不依赖于坐标系的存在,以下公式只是在具体坐标系下对该算符进行展开表示. 这是容易理解的,因为算符作用的对象是不依赖于坐标系的标量场、向量场或张量场,作用的结果也是不依赖于坐标系的标量场、向量场或张量场,因此算符本身也是不依赖于坐标系的.
- 1.
直角坐标系:结合Einstein求和约定,Nabla可写为
∇=x^1∂x1∂+x^2∂x2∂+x^3∂x3∂=x^i∂i,
(1.18)
相应地,拉普拉斯算符(Laplacian)为
∇2=∇⋅∇=(x^i⋅x^j)(∂i∂j)=∂12+∂22+∂32.
(1.19) - 2.
柱坐标系:
∇=ρ^∂ρ+ρφ^∂φ+z^∂z.
(1.20)
注
在一般的正交曲线坐标系中,对某坐标的导数作用在坐标基矢上的结果可能是非零的. 以柱坐标基矢为例,对其直角坐标表示进行微分:
∂φρ^=∂φ(cosφ,sinφ,0)=(−sinφ,cosφ,0)=φ^,
(1.21)∂φφ^=∂φ(−sinφ,cosφ,0)=−(cosφ,sinφ,0)=ρ^.
(1.22)
因此这里给出的算子表示中,坐标基矢与求导顺序是绝对不可交换的. 当然,这在物理上采用运动学描述(或者数学上的几何观点)是更形象直观、更容易理解的,也避免了公式推导和记忆.
同样给出Laplacian:
∇2=ρ1∂ρ(ρ∂ρf)+ρ21∂φ2f+∂z2f.
(1.23) - 3.
球坐标系:
∇=r^∂r+rθ^∂θ+rsinθφ^∂φ,
(1.24)
其Laplacian为
∇2=r21∂r(r2∂rf)+r2sinθ1∂θ(sinθ∂θf)+r2sin2θ1∂φ2f.
(1.25)
5. 向量场的微分
设A(t)=(Ax(t),Ay(t),Az(t)),则
dtndnA(t)=(Ax(n)(t),Ay(n)(t),Az(n)(t)),
(1.26)
当然,这里t可以取坐标x,y,z. 向量值函数的运算仍满足Leibniz法则:
dtd[f(t)A]=dtdfA+fdtdA,
(1.27)dtd[A(t)⋅B(t)]=dtdA⋅B+A⋅dtdB,
(1.28)dtd[A(t)×B(t)]=dtdA×B+A×dtdB.
(1.29)
特别地,若A(t)=r(t),则该向量场即一空间曲线,几何上看,参数t相当于质点从曲线上某一点出发、沿该曲线向前走过的路程.
若A=A(u,v),仿上可定义偏导数,类似地r(u,v)表示空间曲面.
6. Jacobi矩阵与Jacobi行列式
- 1.
考虑从x=(x1,⋯,xn)到y=(y1,⋯,yn)的变换,有
dyi=j=1∑n∂xj∂yidxj⟹dy1⋮dyn=∂x1y1⋯∂xny1⋮⋱⋮∂xny1⋯∂xnyndx1⋮dxn, (1.30)
其中变换矩阵定义为Jacobi矩阵,记为Jx(y),Jacobi行列式即detJx(y).
- 2.
常在重积分中利用二元和三元的Jacobi行列式,即
dudv=∂(x,y)∂(u,v) dxdy,dudvdw=∂(x,y,z)∂(u,v,w) dxdy.
(1.31)
同学们可以试试将柱坐标和球坐标三个坐标分别代入(u,v,w),可得到柱坐标和球坐标下的体积元.
- 3.
Jacobi行列式的链式法则3:
∂(x,y)∂(ξ,η)=∂(u,v)∂(ξ,η)∂(x,y)∂(u,v).
(1.32)
7. 隐函数偏导数的计算
- 1.
对于满足单一约束条件F(x1,⋯,xn)=0的变量组来说,若偏导数存在,则
∂xj∂xi=−∂iF∂iF,i=j.
(1.33) - 2.
对于多约束的情况,在应试中至多出现双重约束的情形:{F(x,y,u,v)=0,G(x,y,u,v)=0.若计算ux,uv,则选取u与其他任一变量作为因变量(这里选择v),对另外两个(自)变量求偏导即可:
{Fx+Fuux+Fvvx=0,Gx+Guux+Gvvx=0,{Fy+Fuuy+Fvvy=0,Gy+Guuy+Gvvy=0,
(1.34)
利用此方程组分别解出ux,uv即可(这里不建议记书上的公式).
注
需要注意的是,若计算du或ux,uv都需要计算的话,应将du视为一个整体,对方程组取微分即可:
{Fxdx+Fydy+Fudu+Fvdv=0,Gxdx+Gydy+Gudu+Gvdv=0,
(1.35)
整体地计算出du而不必拆成偏导分别计算两次.
- 3.
两个常用的偏微分公式(利用隐函数求导法则容易证明):
∂x∂y∂y∂x=1,∂y∂z∂x∂y∂z∂x=−1 ⇔ ∂x∂z=−∂y∂z∂x∂y.
(1.36)
8. 空间曲线的切向量与弧长
对于参数曲线r(t)=(x(t),y(t),z(t)),其切向量为
r′(t)=(x′(t),y′(t),z′(t)),
(1.37)
弧长微元为
ds=(dx)2+(dy)2+(dz)2=[x′(t)]2+[y′(t)]2+[z′(t)]2dt=∣r′(t)∣dt. (1.38)
对于交面式表达的曲线{F(x,y,z)=0,G(x,y,z)=0,视参量t为坐标x,y,z之一即可. 以坐标x为例,切向量为(1,yx,zx),弧长微元为ds=1+yx2+zx2dx,其中yx,zx的计算方法已在上一小小节进行了充分讨论.
9. 空间曲面切平面的构建
对于参数曲面r(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v)),考虑其对两变量的偏导数ru,rv. 经上一小小节的讨论,对于曲面上任一给定点M0(x0,y0,z0),均存在一条在该曲面上且过该点的曲线
r(u,v0)=(x(u,v0),y(u,v0),z(u,v0)),
(1.39)
这里v0为一常数,满足x0=x(u0,v0), y0=y(u0,v0), z0=z(u0,v0). 因此ru∣M0可视为该曲线在(u0,v0)处即点M0处的切线. 类似地,rv∣M0为另一切线. 由于两切线均在切平面上,因此切平面的法向量为ru×rv,切点即点M0.
对于一般式表达的曲面F(x,y,z)=0,其法向量为∇F. 特别地,对于形如z=f(x,y)的显式曲面,可取参数为x,y,那么r=(x,y,f(x,y)),或者直接通过梯度计算.
2作业选讲
- 1.
{} [9.2.2 (5)] 求函数u=arctanx−yx+y对x,y的偏微商.
解
注意到
z=arctanx−yx+y=arctan1−(y/x)1+(y/x)=arctanxy+4π,
(2.1)
因此zx=−y/(x2+y2), zy=x/(x2+y2).
- 2.
(9.2.15) 根据可微的定义证明,函数f(x,y)=∣xy∣在原点处不可微.
解
注意到f(0,0)=0,且fx(0,0)=dxdf(x,0)x=0=0=fy(0,0),故
ρ→0+limρf(x,y)−f(0,0)−fx(0,0)x−fy(0,0)y=ρ→0+lim∣cosθ(ρ)sinθ(ρ)∣, (2.2)
可见当f(x,y)沿任一过极坐标原点的曲线ρ=ρ(θ)趋于原点时,上述极限不存在,故f(x,y)在原点不可微.
- 3.
(9.2.16) 证明函数f(x,y)={x2y/(x2+y2),0,x2+y2=0,x2+y2=0在点(0,0)连续且偏导数存在,但在此点不可微.
解
先证明连续性:
ρ→0+limf(x,y)x=ρcosθy=ρsinθρ→0+limρcos2θ(ρ)sinθ(ρ)=0, (2.3)
其中已利用夹逼准则0<∣f(x,y)∣⩽ρ. 再证明不可微:由定义容易证明4fx(0,0)=fy(0,0)=0,因此
ρ→0+limρf(x,y)−f(0,0)−fx(0,0)x−fy(0,0)y=ρ→0+limcos2θ(ρ)sinθ(ρ).
(2.4)
例如当f(x,y)从不同方向沿射线趋于原点时,上述极限值不同,故该极限不存在,从而f(x,y)在原点不可微.
注
这两题是为了介绍分式型二元函数连续与可微性判断的通用解法5,无论是有理分式还是无理分式. 因为二元函数在原点的极限实际上是考虑函数值沿无穷多过原点路径的取值变化,从而在极坐标系下考虑是万分简单的. 对于某一确定的路径ρ=ρ(θ),二元极限退化成一元极限ρ→0+,θ随ρ的变化则由轨迹方程给出. 当然,对于含e、ln或者sin项的表达式,这一方法对部分题也是适用的.
- 4.
(9.2.11) 设r=x2+y2+z2,证明当r=0时有
- (a).
∂x2∂2r+∂y2∂2r+∂z2∂2r=r2.
- (b).
∂x2∂2lnr+∂y2∂2lnr+∂z2∂2lnr=r21.
- (c).
∂x2∂2r21+∂y2∂2r21+∂z2∂2r21=0.
解
直角坐标系下计算略,以下另外给两种解法:
- (a).
Method 1: 采用球坐标下的Laplacian(背公式法),即
∇2=r21∂r(r2∂rf)+r2sinθ1∂θ(sinθ∂θf)+r2sin2θ1∂φ2f.
(2.5)
由于f(r)=f(r),即函数只与位矢r的长度r有关,故仅取第一项,容易证明.
- (b).
Method 2: 采用不依赖于坐标系的Leibniz公式方法(不背公式法,推荐). 容易看出∇r=r^, ∇⋅r=3,因此
∇2r=∇⋅∇r=∇⋅(rr)=r1∇⋅r+r⋅∇(r1)=r3−1=r2.
(2.6)
类似地,另外两问也容易证明:
∇2lnr=∇⋅rr^=∇⋅r2r=r23−2=r21,
(2.7)∇2(r1)=∇⋅(−r3r)=0.
(2.8)
- 5.
(9.2.32) 设变换{u=x−2y,v=x+ay可把方程6∂x2∂2z+∂x∂y∂2z−∂y2∂2z=0简化为∂u∂v∂2z=0. 求常数a. (其中二阶偏导数均连续)
解
对于有显示解的变量代换方程组,千万不要上来就剥蒜! 这里还是给两种不同解法,适合不同宝宝体质(雾).
- (a).
Method 1: 简单易懂的方法——反解方程组得到x,y关于u,v的表达式,这样只用算一次二阶偏导(原本要算三次),即{x=(au+2v)/(a+2),y=(v−u)/(a+2),从而
zuv=∂v(a+2azx−zy)=(a+2)22azxx+(a−2)zxy−zyy=0.
(2.9)
对比zxx和zyy的系数比,解得a=3.
- (b).
Method 2: PDE降维打击(视情况可能习题课讲点),这是二阶线性齐次PDE,因此解以下方程:
6(dy)2−(dx)(dy)−(dx)2=0⟹dxdy=21 or −31,
(2.10)
即x−2y=C1和x+3y=C2. 因此对于此双曲型方程,作变量代换ξ=x−2y, η=x+3y,必然可将其简化为zξη=0. 对比系数可知,a=3.
注
为简单起见,考虑不含一次项和零次项的二阶线性齐次偏微分方程:
a(x,y)zxx+2b(x,y)zxy+c(x,y)zyy=0,
(2.11)
其特征方程为:
a(dy)2−2b(dx)(dy)+c(dx)2=0,
(2.12)
注意交叉项符号反向. 其判别式Δ=b2−ac,该方程的解记为{f(x,y)=C1,g(x,y)=C2,则作相应的变量代换{ξ=f(x,y),η=g(x,y). 以下分三种情况:
- (a).
Δ>0,该方程为双曲型,方程可化为zξη=0.
- (b).
Δ=0,该方程为抛物型,此时保留ξ的变换,η与ξ线性无关即可.
- (c).
Δ<0,该方程为椭圆型,此时f(x,y),g(x,y)为共轭复变函数,考虑实值变量代换
{ξ(x,y)=Ref=(f+g)/2,η(x,y)=Imf=(f−g)/2i.
(2.13)
3真题集萃
- 1.
{} [23-24期中T1 (2)] 求过直线l={2x+y−z−2=0,3x−2y−2z+1=0且与平面π:3x+2y+3z−9=0垂直的平面方程.
解
对于此交面式直线方程,参见1.1小小节给出的绕定直线的平面系方程:
π′:(2+3λ)x+(1−2λ)−(1+2λ)z+(λ−2)=0,
(3.1)
因此π′与π垂直给出
0=(2+3λ,1−2λ,−1−2λ)⋅(3,2,3)=5−λ⟹λ=5,
(3.2)
因此该平面方程为
- 2.
(22-23期中T7) 设f(x,y)为开区域D⊂R2上的连续可偏导函数,u,v为R2上的夹角为α的单位向量. 证明:
[(∂x∂f)2+(∂y∂f)2]sin2α⩽2[(∂u∂f)2+(∂v∂f)2].
(3.4)
解
由题意,
∂u∂f=∇f⋅u,∂v∂f=∇f⋅v.
(3.5)
记∇f与u,v的夹角分别为θ1,θ2,则∣θ1−θ2∣=α. 注意到u,v为单位向量,因此
2[(∂u∂f)2+(∂v∂f)2]=2∣∇f∣2(cos2θ1+cos2θ2)=2∣∇f∣2(1+2cos2θ1+cos2θ2)
=2∣∇f∣2[1+cos(θ1+θ2)cos(θ1−θ2)]⩾2∣∇f∣2(1−cosα)
⩾(1+cosα)⋅∣∇f∣2(1−cosα)=∣∇f∣2sin2α.
(3.6) - 3.
(22-23期中T8) 二元函数f(x,y)被称为凸函数是指:对∀(x1,y1),(x2,y2)∈R2, t∈[0,1],都有如下不等式:
f(tx1+(1−t)x2,ty1+(1−t)y2)⩽tf(x1,y1)+(1−t)f(x2,y2).
(3.7)
假设函数f是可微的,求证:f是凸函数当且仅当对∀(x1,y1),(x2,y2)∈R2,有
(x1−x2)fx′(x1,y1)+(y1−y2)fy′(x1,y1)⩾f(x1,y1)−f(x2,y2).
(3.8)
解
- (a).
必要性:记{x=tx1+(1−t)x2,y=ty1+(1−t)y2,则条件可化为
f(x1,y1)−f(x2,y2)⩾tf(x,y)−f(x2,y)+tf(x2,y)−f(x2,y2),
(3.9)
其中已利用t∈[0,1]的条件. 再记Δx=t(x1−x2), Δy=t(y1−y2),则{x=x2+Δx,y=y2+Δy. 由于x1,x2和y1,y2大小关系不定,t→0+时可对应Δx→0+ or 0−,合并写成Δx→0; Δy类似. 结合二元函数的微分中值定理,对不等式两侧分别取t→0+的极限可得
⩾(x1−x2)t→0+limfx(x2+θ1Δx,y(t))+(y1−y2)Δy→0limfy(x2,y2+θ2Δy)
=(x1−x2)fx(x2,y2)+(y1−y2)fy(x2,y2).
(3.10)
由于点P1(x1,y1),P2(x2,y2)平权,故交换下标1和2可得到待证表达式.
- (b).
充分性:改用P1(x1,y1)和P(x,y)表示P2(x2,y2):
{x2=(x−tx1)/(1−t),y2=(y−ty1)/(1−t),
(3.11)
构造函数
g(t)=f(x,y)−tf(x1,y1)−(1−t)f(1−tx−tx1,1−ty−ty2).
(3.12)
注意此时认为(x,y)是独立于t的参数,而原本的(x2,y2)才是t的函数,从而其一阶导为
g′(t) =−f(x1,y1)+f(x2(t),y2(t))
−[1−tx−x1f1(x2(t),y2(t))+1−ty−y1f2(x2(t),y2(t))]
=f(x2,y2)−f(x1,y1)−[(x2−x1)fx(x2,y2)+(y2−y1)fy(x2,y2)]⩾0,
(3.13)
其中最后一个不等式用到了题设条件,故g(t)在t∈[0,1]上单调递增,g(t)⩾g(0)=0,即
f(tx1+(1−t)x2,ty1+(1−t)y2)⩽tf(x1,y1)+(1−t)f(x2,y2).
(3.14)
- 4.
{} [22-23期中T2 (2)] 求由方程z3−3xyz=a3在点(0,0,a)附近所确定函数z(x,y)的偏导数∂x∂y∂2z,其中a为给定的正常数.
解
记F(x,y,z)=z3−3xyz−a3,则由隐函数求导法则,对于由F=0确定的函数z=z(x,y),
zx∣(0,0,a)=−FzFx(0,0,a)=z2−xyyz(0,0,a)=0, (3.15)zxy∣(0,0,a)=∂yzx∣(0,0,a)=(z2−xy)2z3−y(z2+xy)zy(0,0,a)=a1, (3.16)
其中zy(0,0)=zx(0,0)=0利用了原方程以及研究点(0,0,a)中x,y坐标的交换对称性.
- 5.
(21-22期中T4) 给定正整数n,设函数f(x,y)={(x+y)nln(x2+y2),0,(x,y)=(0,0),(x,y)=(0,0).讨论n为何值时,f(x,y)在点(0,0)处:(1)连续;(2)可微.
解
将f(x,y)在极坐标下表示:
g(ρ,θ)=f(ρcosθ,ρsinθ)=ρnlnρ2⋅(cosθ+sinθ)n.
(3.17)
- (a).
f(x,y)在原点连续等价于
0=f(0,0)=(x,y)→(0,0)lim=ρ→0+limg(ρ,θ(ρ)).
(3.18)
注意到
ρ→0+limρnlnρ2={0,n>0,不存在,n⩾0.
(3.19)
另一方面,n有限使得∣(cosθ+sinθ)n∣⩽2n,故f(x,y)在原点连续要求n>0.
- (b).
注意到g(ρ,θ)∝ρ且g(0,θ)=0,故按定义必然可算出6fx(0,0)=fy(0,0)=0,从而f(x,y)在原点可微等价于
ρ→0+limρg(ρ,θ)=ρ→0+limρn−1lnρ2⋅[cosθ(ρ)+sinθ(ρ)]n,
(3.20)
仿上分析可知,此时要求n−1>0,即n>1.
- 6.
(20-21期中T2) 设f(x,y)有2阶连续偏导数,∂y∂f=0,求f(x,y)=0确定的隐函数y=φ(x)的二阶偏导数(用f的各阶导数表示).
解
yx=−fy(x,y(x))/fx(x,y(x)),进而
yxx=−fy21[fy(fxx+fxyyx)−fx(fyx+fyyyx)]
=−fy21[(fxxfy−fxyfx)+(fyfxy−fxfyy)yx]
=−fy31(fy2fxx−2fxfyfxy+fx2fyy)
(3.21) - 7.
(20-21期中T5) 设参数变换u=u(x,y), v=v(x,y)有二阶连续的偏导数,并满足
∂x∂u=∂y∂v,∂y∂u=−∂x∂v,
(3.22)
证明:对任意二阶连续可微函数z=f(x,y),有
∂x2∂2z+∂y2∂2z=[(∂x∂u)2+(∂y∂u)2](∂u2∂2z+∂v2∂2z).
(3.23)
解
这道题的出题背景是复变函数中可微函数的调和性,给出的微分条件实际上被称为Cauchy-Riemann方程,是判定函数可微的充要条件之一. 设
(∂x∂y)=M(∂u∂v),M=(uxvxuyvy).
(3.24)
代入题设条件,
MTM=(uxuy−uyux)(ux−uyuyux)=(ux2+uy2)I,
(3.25)
其中I为单位矩阵,因此
Δxy=∂x2+∂y2=(∂x∂y)(∂x∂y)
将其作用在z=f(x,y)上,展开写成
zxx2+zyy2=(ux2+uy2)(zuu2+zvv2).
(3.27) - 8.
(18-19期中T1) 设有空间直线L1与L2分别由如下的方程组定义:
L1:{x=y,x+y+z=1,L2{2x+y=1,x+z=0.
(3.28)
求一个平面与它们平行且到它们的距离相等.
解
与两直线均平行的平面,其法向量与两直线均垂直,因此先求出L1,L2的方向向量
τ1=(1,−1,0)×(1,1,1)=(−1,−1,2),
(3.29)τ2=(2,1,0)×(1,0,1)=(1,−2,−1),
(3.30)
从而平面的法向量为
各取L1,L2上一点P1(0,0,1)和P2(0,1,0),那么法向量为n且过L1,L2的平面方程为
π1:5x+y+3z−3=0,π2:5x+y+3z−1=0.
(3.32)
因此到L1,L2距离相等的平面即到π1,π2距离相等的平面,其方程为
- 9.
(18-19期中T2) 设有一条曲线由如下方程组定义:
请判断这条曲线在不在一个平面上,并给出理由.
解
考虑x=0的点,可解得(0,±2,0),(0,0,±2),这些点都在平面x=0上. 若该曲线在某一平面上,要求其余点也均在此平面上,显然这是不可能的,例如点(3−1,3−1,3−1)就不在该平面上. 因此这条曲线不在一个平面上.
- 10.
(18-19期中T5) 设C>0是一个常数,又设函数f(x,y)满足:对于任何平面上的点(x,y),存在a(x,y),b(x,y)使得对于任何实数h,k满足∣h∣+∣k∣⩽1,有
∣f(x+h,y+k)−f(x,y)−a(x,y)h−b(x,y)k∣⩽C(∣h∣+∣k∣)3/2.
(3.35)
求证:f有一致连续的偏导数.
解
记ρ=h2+k2,均值不等式给出,
∣f(x+h,y+k)−f(x,y)−a(x,y)h−b(x,y)k∣⩽C(∣h∣+∣k∣)3/2⩽C(2ρ)3/2, (3.36)
由夹逼准则,
ρ→0+limρf(x+h,y+k)−f(x,y)−a(x,y)h−b(x,y)k=0,
(3.37)
因此f(x,y)在R2上可微,且a(x,y)=fx(x,y), b(x,y)=fy(x,y). 令k=0,分别对(x,y)→(x+h,y)和(x+h,y)→(x,y)的变化写出不等式:
∣f(x+h,y)−f(x,y)−fx(x,y)h∣⩽C∣h∣3/2,
(3.38)∣f(x,y)−f(x+h,y)−fx(x+h,y)(−h)∣⩽C∣−h∣3/2,
(3.39)
由三角不等式,
⩽∣h∣1(∣f(x,y)−f(x+h,y)+fx(x+h,y)h∣+∣f(x+h,y)−f(x,y)−fx(x,y)h∣)
⩽∣h∣C∣h∣3/2+C∣h∣3/2=2C∣h∣, (3.40)
因此对∀ε>0,总∃δ(ε)=(ε/2C)2,当∣h∣<δ时,满足
∣fx(x+h,y)−fx(x,y)∣⩽2C∣h∣<ε. (3.41)
故fx在R2上一致连续,fy类似可证. 综上,f有一致连续的偏导数.
4教材习题
- 1.
(8.2.26) 过直线{5x−11z+7=0,5y+7z−4=0作两互相垂直的平面,其中一平面过点(4,−3,1),求此二平面方程.
解
由于此二平面均过定直线,故两者方程可分别设为
πi:5x+5λiy+(7λi−11)z+(7−4λi)=0,i=1,2.
(4.1)
由于π1过点(4,−3,1),将其坐标代入解得λ1=4/3,因此
由于π1,π2相互垂直,其法向量正交,解得λ2=−2,因此
- 2.
(8.2.29) 求原点关于平面6x+2y−9z+121=0对称的点的坐标.
解
注意到平面法向量为n=(6,2,−9),因此可设原点关于平面的对称点的坐标为 (6t,2t,−9t). 两者连线中点在平面上,即
6⋅3t+2⋅t−9⋅(−29t)+121=2121t+121=0⟹t=−2,
(4.4)
因此对称点的坐标为(−12,−4,18).
- 3.
(8.2.34) 写出垂直于平面5x−y+3z−2=0,且与它的交线在Oxy平面上的平面方程.
解
题干可重新表述为“平面π1:5x−y+3z−2=0与Oxy平面的交线为l,写出绕l旋转的平面系中与π1垂直的平面π2”. 因此π2的方程可设为5x−y+(3+λ)z−2=0. 两平面垂直意味着
0=52+(−1)2+3(3+λ)=3λ+35⟹λ=−335,
(4.5)
因此该平面方程为15x−3y−26z−6=0.
- 4.
(Ch 8.7) 求准线为{y2+z2=1,x=1,母线方向为(2,1,1)的柱面的一般方程.
解
任取准线上一点P0(x0,y0,z0),则柱面上沿母线方向任一点P的坐标为
⎩⎨⎧x=x0+2t,y=y0+t,z0=z0+t, (4.6)
用P点坐标表示P0点坐标,代回准线方程得曲面方程:
{(y−t)2+(z−t)2=1,x−2t=1消去t(2y−x+1)2+(2z−x+1)2=1. (4.7) - 5.
(Ch 8.12) 已知椭球面的三个半长轴长分别为a,b,c,三条对称轴方程分别为
3−x=2y=2z,2x=3−y=2z,2x=2y=3−z,
(4.8)
求椭球面的一般方程.
解
回忆对称轴与Oxyz坐标系的坐标轴重合时的椭球方程是如何构建的: 考虑椭球面上相对椭球中心的任一点位矢r=(x,y,z),则其方程为
1=a2x2+b2y2+c2z2=a2(r⋅x^)2+b2(r⋅y^)2+c2(r⋅z^)2.
(4.9)
因此对于一般的椭球面方程,先计算出其中心,即三条对称轴的交点,此处为(2,2,2). 设椭球面上一点坐标为(x,y,z),则其相对椭球中心的位矢为r=(x−2,y−2,z−2); 再考虑三条对称轴的单位方向向量,计算r在三个方向上的投影即可,容易算出
τ^1=3(−1,2,2),τ^2=3(2,−1,2),τ^3=3(2,2,−1),
(4.10)
因此椭球方程为
1=a2(r⋅τ^1)2+b2(r⋅τ^2)2+c2(r⋅τ^3)2
=9a2(2y+2z−x−6)2+9b2(2z+2x−y−6)2+9c2(2x+2y−z−6)2.
(4.11) - 6.
(9.1.19) 设f(x,y)在D⊂R2上分别对x和y连续,且关于变量y是单调的,证明:f(x,y)在D上连续.
解
由于f(x,y)在D⊂R2上对y连续,故对于∀ε>0,总∃δ1(x0,y0)∈R,使得
∣f(x0,y0+δ1)−f(x0,y0−δ1)∣<4ε.
(4.12)
由于f(x,y)在D⊂R2上对x连续,故对于∀ε>0,总∃δ2(x0,y0),δ3(x0,y0),δ4(x0,y0)∈R,使得当∣x−x0∣<δ1时,满足
∣f(x,y0)−f(x0,y0)∣<4ε,
(4.13)∣f(x,y0+δ1(x0,y0))−f(x0,y0+δ1(x0,y0))∣<4ε,
(4.14)∣f(x,y0−δ1(x0,y0))−f(x0,y0−δ1(x0,y0))∣<4ε.
(4.15)
又因为f(x,y)对变量y单调,若取δ(x0,y0)=1⩽i⩽4minδi,则当∣y−y0∣<δ时,满足
∣f(x,y)−f(x,y0)∣<∣f(x,y0+δ)−f(x,y0−δ)∣⩽∣f(x,y0+δ1)−f(x,y0−δ1)∣.
(4.16)
因此对∀ε>,总∃δ=1⩽i⩽4minδi,当∣x−x0∣<δ, ∣y−y0∣<δ时,满足
∣f(x,y)−f(x0,y0)∣
(4.17)⩽∣f(x,y)−f(x,y0)∣+∣f(x,y0)−f(x,y0)∣
⩽∣f(x,y0+δ1)−f(x,y0−δ1)∣+∣f(x,y0)−f(x0,y0)∣
⩽∣f(x,y0+δ1)−f(x0,y0+δ1)∣+∣f(x,y0−δ1)−f(x0,y0−δ1)∣
+∣f(x0,y0+δ1)−f(x0,y0−δ1)∣+∣f(x,y0)−f(x0,y0)∣
<4ε+4ε+4ε+4ε=ε,
(4.18)
因此f(x,y)在D上连续.
注
经典错误是利用三角不等式
∣f(x,y)−f(x0,y0)∣⩽∣f(x,y)−f(x,y0)∣+∣f(x,y0)−f(x0,y0)∣
(4.19)
放缩,然后对不等式右侧两项分别利用极限的定义给出δ再取两者最大. 这一证明的错误在于完全忽略了f(x,y)关于某个变量单调的条件,因而结论不会成立,例如函数
f(x,y)={xy/(x2+y2),x2+y2=0,0,x2+y2=0
(4.20)
在x=0和y=0上分别对y和x连续,但在原点不连续.
关键问题在于利用ε-δ语言描述时,不等式右侧两项分别给出的δ1和δ2应为δ1(x,y0)和δ2(x0,y0),因此δ1和δ的最小非零下确界可能并不存在(一致连续时必然存在). 在上述例子中,点P0(x0,y0)=(0,0),因此∣f(x,y0)−f(x0,y0)∣=∣0−0∣=0<ε必然成立,这使得δ(ε,P0)最小可取到0. 那么无论x取何值,δ1和δ的最小值均为0,不存在非零下确界. 有了这样的思考,证明的核心就转移到了能否通过变形使得所有的δ归到同一点(x0,y0)上.
- 7.
{} [9.2.1 (3)] 设f(x,y)=ln[xy2+yx2+1+(xy2+yx2)2],求fx′(1,y), fy′(1,y).
解
记u=xy2+yx2, g(u)=ln(u+1+u2),则f(x,y)=g(u),且
g′(u)=u+1+u21+u/1+u2=1+u21, (4.21)
而x=1时u=y2+y,因此
fx(1,y)=g′(u)ux∣x=1=1+(y2+y)2y2+2y, (4.22)fy(1,y)=g′(u)uy∣x=1=1+(y2+y)22y+1. (4.23)
注
再次强调,剥蒜前观察观察再观察,类似地有21-22期中第一题,将f(x,y)=1−x2−y2展开至4阶. 虽然大家这时还没学二元函数的Taylor展开,但其实都能做,因为换元u=x2+y2后,这就是单变量函数的Taylor展开:
f(x,y)=g(u(x,y))=1−2u−8u2+o(u2),
(4.24)
而u2=(x2+y2)2已包含全部4阶项信息了,再高阶u3就到了6阶,但我当时头铁算到4阶混合偏导、求出结果后才反应过来7.
- 8.
(9.3.9) 设y=f(x+t),而t是由方程y+g(x,t)=0所确定的x,y的函数,求dxdy.
解
注意这两重约束(关系式)是联合约束,因此不建议分别对某一表达式计算偏导再代入——不仅不熟练时容易错,而且拆分时破坏了约束地位对等的整体性,会稍微提高计算量. 更推荐的是直接考虑约束的全微分,求解此方程组:
{f(x+t)−y=0,y+g(x,t)=0⟹{f′⋅(dx+dt)−dy=0,dy+(gxdx+gtdt)=0,
(4.25)
消去dt解得
dxdy=gt+f′(gt−gx)f′.
(4.26)
注
如果一定要拆分,可用第二个方程确定t=t(x,y),计算一次隐函数偏导:tx=−gx/gt, ty=−1/gt. 再将t=t(x,y)代入第一个方程y=f(x+y(x,y)),再计算一次隐函数偏导:
dxdy=−f′(x+t)ty−1(1+tx)f′=gt+f′(gt−gx)f′,
(4.27)
可见计算过程上并不如上述所解的方程组形式简洁优美.
- 9.
{} [9.2.9 (2)(4)] 在下列各题中,求∂x2∂2z,∂x∂y∂2z,∂y2∂2z.
- (a).
z=arctan1−xyx+y.
- (b).
z=sin2(ax+by).
解
重要的事情说三遍:剥蒜前观察!
- (a).
联想正切和的公式,容易看出(自行验证)
z=arctanx+arctany⟹⎩⎨⎧zxx=∂x[1/(1+x2)]=−2x/(1+x2)2,zxy=0,zyy=−2y/(1+y2)2. (4.28) - (b).
注意到
z=21−cosu,u=2(ax+by),
(4.29)
并且ux=2a, uy=2b均为常数,故
∂xm∂ynz=−2(∂xmu)(∂ynu)(cosu)u(m+n)=−2m+n−1ambn(cosu)u(m+n),
(4.30)
因此
zxx=2a2cos(2ax+2by),zxy=2abcos(2ax+2by),zyy=2b2cos(2ax+2by).
(4.31)
- 10.
{} [9.2.19 (2)(4)] 求下列复合函数的偏导数或导数.
- (a).
设u=exyz, x=rs, y=r/s, z=rs,求∂r∂u,∂s∂u.
- (b).
设u=a2+1eax(y−z), y=asinx, z=cosx,求dxdu.
解
对于显式简单变换,建议直接代入各变量而不必通过链式法则绕远路.
- (a).
u(r,s)=ers+2,因此ur=(s+2)rs+1ers+2, us=rs+2ers+2lnr.
- (b).
u(x)=(asinx−cosx)eax/(a2+1),因此u′(x)=eaxsinx.
- 11.
{} [9.3.11 (3)] 设{u=f(ux,v+y),v=g(u−x,v2−y),求∂(x,y)∂(u,v).
解
对于这种需要整体求解行列式的题,同样对方程组整体地求微分,即
{du=f1(udx+xdu)+f2(dv+dy),dv=g1(du−dx)+g2(2vdv−dy),
(4.32)
整理后写成矩阵的形式:
(1−xf1−f2g12vg2−1)(dudv)=(uf1f2g1g2)(dxdy),
(4.33)
因此
∂(x,y)∂(u,v)=det[(1−xf1−f2g12vg2−1)−1(uf1f2g1g2)]
=det(uf1f2g1g2)/det(1−xf1−f2g12vg2−1)
=(1−xf1)(2vg2−1)+f2g1uf1g2−f2g1.
(4.34) - 12.
{} [9.3.12 (1)] 设{x=f(u,v),y=g(u,v),求∂x∂u,∂y∂u,∂x∂v,∂y∂v.
解
对方程组整体取微分得
{dx=f1du+f2dv,dy=g1du+g2dv⟹(dxdy)=(f1f2g1g2)(dudv),
(4.35)
因此
(dudv)=f1g2−f2g11(g2−f2−g1f1)(dxdy)=(uxuyvxvy)(dxdy),
(4.36)
对比各项可得ux,uy,vx,vy.
- 13.
(9.4.9) 求椭球面x2+2y2+z2=1上平行于平面x−y+2z=0的切平面方程.
解
椭球在点P0(x0,y0,z0)处的切平面方程为x0x+2y0y+z0z=1,由题意
{x02+2y02+z02=1,x0=−2y0=z0/2⟹⎩⎨⎧x0=±2/22,y0=∓1/22,z0=±4/22, (4.37)
因此切平面方程为x−y+2z±22/2=0.
注
椭球切平面方程可以直接用,别学了隐函数求导就一通剥蒜,化简后发现是已知结论.
- 14.
{} [9.4.17 (2)] 求曲线{2x2+3y2+z2=47,x2+2y2=z在点(−2,1,6)的切线和法平面方程.
解
对于交面式曲线方程,其在某点的切线分别与两个曲面在该点的法向量垂直8,因此切线的方向向量为
τ=(2x,3y,z)×(2x,4y,−1)∣(−2,1,6)=(−4,3,6)×(−4,4,−1)=−(27,28,4),
(4.38)
因此切线方程和法平面方程分别为
L:27x+2=28y−1=4z−6,π:27x+28y+4z+2=0.
(4.39) - 15.
(Ch9-1) 设a1,a2,⋯,an是非零常数. f(x1,x2,⋯,xn)在Rn上可微. 求证:存在R上一元可微函数F(s)使得f(x1,x2,⋯,xn)=F(a1x1+a2x2+⋯+anxn)的充分必要条件是
aj∂xi∂f=ai∂xj∂f,i,j=1,2,⋯,n.
(4.40)
解
- (a).
必要性:若f(x1,⋯,xn)=F(i=1∑naixn),则容易验证
ai1∂xi∂f=F′(i=1∑naixi)=aj1∂xj∂f.
(4.41) - (b).
充分性:记f(x1,⋯,xn)=G(x1,⋯,xn−1,u),其中u=i=1∑naixi,则
ai1∂xi∂f=ai1(∂xi∂G+ai∂u∂G) (i=1,2,⋯,n−1),an1∂xn∂f=∂u∂G.
(4.42)
由题设条件,an∂xi∂f=ai∂xn∂f,因此∂xi∂G=0 (i=1,2,⋯,n−1),即G仅是u的函数,故∃F∈R,使得
f(x1,⋯,xn)=G(x1,⋯,xn−1,u)=F(u)=F(i=1∑naixi).
(4.43)
- 16.
(Ch9-3) 若函数u=f(x,y,z)满足恒等式f(tx,ty,tz)=tkf(x,y,z),则称f(x,y,z)为k次齐次函数. 试证下述关于齐次函数的Euler定理:可微函数f(x,y,z)为k次齐次函数的充要条件是
xfx′(x,y,z)+yfy′(x,y,z)+zfz′(x,y,z)=kf(x,y,z).
(4.44)
解
- (a).
必要性:若f(tx,ty,tz)=tkf(x,y,z),则对方程两端在t=1处求导可证
xf1(x,y,z)+yf2(x,y,z)+zf3(x,y,z)=kf(x,y,z).
(4.45) - (b).
充分性:需要证明tkf(x,y,z)≡f(tx,ty,tz),构造
F(x,y,z,t)=t−kf(tx,ty,tz)−f(x,y,z),
(4.46)
由题设条件,
∂t∂F=−kt−(k+1)f(tx,ty,tz)+t−k[xf1(tx,ty,tz)+yf2(tx,ty,tz)+zf3(tx,ty,tz)]
=t−(k+1)[(tx)f1(tx,ty,tz)+(ty)f2(tx,ty,tz)+(tz)f3(tx,ty,tz)−kf(tx,ty,tz)]
=tx,ty,tz→u,v,wt−(k+1)[ufu(u,v,w)+vfv(u,v,w)+wfw(u,v,w)−kf(u,v,w)]=0,
(4.47)
因此F(x,y,z,t)关于t是常数,即
F(x,y,z,t)=F(x,y,z,1)=0⟹f(tx,ty,tz)=tkf(x,y,z).
(4.48)
- 17.
(Ch9-8) 设D⊂R2是包含原点的凸区域,f∈C1(D). 若
x∂x∂f(x,y)+y∂y∂f(x,y)=0,(x,y)∈D,
(4.49)
则f(x,y)是常数.
解
这里给出两种证法.
- (a).
Method 1: 适合考试的中规中矩方案. 注意到题设条件的形式为(x,y)⋅∇f=0,联想到二元函数的Taylor公式:
f(x,y)=f(0,0)+xf1(θ(x,y)x,θ(x,y)y)+yf2(θ(x,y)x,θ(x,y)y)
u=θxv=θyf(0,0)+θ1[ufu(u,v)+vfv(u,v)]=f(0,0), (4.50)
因此f(x,y)为常函数.
- (b).
Method 2: 偏门的PDE方案. 利用一阶线性偏微分方程的解法,解常微分方程
xdx=ydy⟹xy=const.
(4.51)
作变量代换{ξ=y/x,η=x,则题设条件化为
0=x⋅(−x2yfξ+fη)+y⋅xfξ=xfη⟹f=g(ξ)=g(xy).
(4.52)
而f在原点处有定义,若g(u)不是常函数,则u在原点无定义,从而g无函数值. 因此f(x,y)=g(y/x)为常函数.
注
对于一阶齐次线性偏微分方程(自行推广至更多元)
a(x,y,z)ux+b(x,y,z)uy+c(x,y,z)uz=0,
(4.53)
其特征方程为
从中解得
{f(x,y,z)=C1,g(x,y,z)=C2⟹{ξ=f(x,y,z),η=g(x,y,z),
(4.55)
再取与ξ,η线性无关的变量代换ζ,则原方程可化为
- 18.
(Ch9-11) 设u(x,y)在R2上取正值且有二阶连续偏导数. 证明u满足方程
u∂x∂y∂2u=∂x∂u∂y∂u
(4.57)
的充分必要条件是存在一元函数f和g使得u(x,y)=f(x)g(y).
解
- (a).
充分性:若u(x,y)=f(x)g(y),容易证明
∂x∂u∂y∂u=f′(x)g(y)⋅f(x)g′(y)=f(x)g(y)⋅f′(x)g′(y)=u∂x∂y∂2u.
(4.58) - (b).
必要性:若熟悉二阶线性偏微分方程的解,可知lnu(x,y)=lnf(x)+lny即双曲型方程的解,因此考虑lnu是否满足方程∂x∂y∂2lnu=0.
记g(x,y)=lnu(x,y),由题设条件
∂x∂y∂2g(x,y)=∂x∂(uuy)=u2uuxy−uxuy=0,
(4.59)
分别对x,y积分得
g(x,y)=lnu(x,y)=F(x)+G(y)⟹u(x,y)=eF(x)eG(y).
(4.60)
因此存在f(x)=eF(x)和g(y)=eG(x),使得u(x,y)=f(x)g(y).
注
“双曲型方程是什么”以及“为什么化为二阶混合偏导”的问题,已在2节中的最后一题的“注”中进行了解释.
- 19.
(Ch9-13) 设f(x,y,z)在R3上有一阶连续偏函数,且满足
如果f(x,0,0)>0对∀x∈R成立,求证:对∀(x,y,z)∈R3,也有f(x,y,z)>0.
解
由Ch9-1的结论,存在函数F使得f(x,y,z)=F(x+y+z). 由题意f(x,0,0)=F(x)>0在R3上成立,因此f(x,y,z)=F(x+y+z)>0在R3上成立.