3.3 习题课讲解

例 3.3.1 F:R3R可微,满足(1)Fx,Fy,Fz0 证明:对任意(x0,y0,z0),存在它的一个邻域,方程(2)F(x,y,z)=F(x0,y0,z0) 唯一确定了三个可微函数x=x(y,z),y=y(x,z),z=z(x,y),且满足(3)(xy)z(yz)x(zx)y=1

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图 3.3.1: 奶酪越多,奶酪就越少

证明 由于F可微且Fx,Fy,Fz0,由隐函数定理知方程F(x,y,z)=F(x0,y0,z0)唯一确定了三个可微函数x=x(y,z),y=y(x,z),z=z(x,y),且满足(4)(xy)z=(Fx)1(Fy)(yz)x=(Fy)1(Fz)(zx)y=(Fz)1(Fx) 因此(5)(xy)z(yz)x(zx)y=1

例 3.3.2 (例2)设Am阶正交矩阵,函数f:RmRC2F(x)=f(Ax)。令y=Ax,证明:(6)k=1m(Fxk)2=k=1m(fyk)2,k=1m2Fxk2=k=1m2fyk2

证明 (1) 可直接通过全微分算子的协变变换证明:(7)xkxk=yiAikyjAjk=yi(AAT)ijyj=yiδijyj=yiyi

(2) 可借助Hessian矩阵4证明5(8)HF(x)=x(xF)(x)=A1y(yf)(y)A=A1Hf(y)A(9)k=1m2Fxk2=trHF(x)=trHf(y)=k=1m2fyk2

例 3.3.3 (例3)设x=x(u,v),y=y(u,v)满足(10)xu=yv,xv=yu 证明:

(1)

w满足2wx2+2wy2=0,则w~(u,v):=w(x(u,v),y(u,v))满足2w~u2+2w~v2=0

(2)

2(xy)u2+2(xy)v2=0

证明 可微函数z(u,v)=x(u,v)+iy(u,v)在单连通域C上满足Cauchy-Riemann方程,从而解析。

(1) w在单连通域R2上调和,故存在解析函数f使得w(x,y)=f(x+iy),因此fz亦为解析函数,从而w~(u,v)=f(z(u+iv))调和。

(2) 由(1)知w~=xy调和。

例 3.3.4 f:R2R调和,令u(x,y)=f(xx2+y2,yx2+y2)。证明:u调和。

证明ξ(x.y)=xx2+y2η(x,y)=yx2+y2,其满足CR方程,由上例可知u~=f(ξ,η)调和。由于(ξ,η)(ξ,η)是正交变换,故u调和。

有关以上两题的更多信息,大家可以参考 王兆臻学长的习题课笔记6

例 3.3.5 (例9拓展)设区域DRnu,f,φC(D)uC2(D)cR,证明:以下边值问题的解唯一。(11){Δu=cu+f,rDu=φ,rD

证明u1,u2均满足该方程和边界条件,令u=u1u2,则u满足(12){Δu=cu,rDu=0,rD

c0时,令v=uc,则v满足(13){Δv=v,rDv=0,rD v在有界闭集D上存在最小值点x0,显然v(x0)<0。若v(x0)<0,则有x0D,故x0为极小值点,从而Δv(x0)=trHv(x0)0>v(x0),矛盾!故v(x)0对任意xD成立。同理可得v(x)0,故v0,即u1u2

c=0时,注意到(14)Du2dV=D[(uu)2u]dV=DuundSD2udV=0uC(D)可得u0,即u1u2

综上所述,原边值问题具有唯一解。