4.3 习题课讲解
例 4.3.1
函数由方程确定,求的导函数。
解
将函数代入方程得到恒等式
是保证隐函数存在的充分条件。
采用全微分的过程与上面类似。
例 4.3.2
设,则每一个在处与在处的梯度向量正交的向量,都存在光滑曲线使得,且、。
证明
设向量垂直于和。构造方程
的Jacobi矩阵为
由于和线性无关,故行满秩,必存在使得可逆。
不妨设、,则由隐函数定理可知存在可微函数、使得。令,则在曲面上,且在处的切向量垂直于和,即平行于。
例 4.3.3
求下面方程的通解:
解
特征方程组为
亦即
解得特征线为
设,则原方程的通解为
例 4.3.4
设是矩阵的一个单重特征值(即,,其中),是对应于的一个单位特征向量。证明:存在,使得对任意矩阵,只要,就有唯一的特征值和相应的单位特征向量使得、,并且和关于是的。
证明
构造方程
则映射在处对的Jacobi矩阵为
故有
记,则有
设,则。对任意且,注意到的代数重数为1,则
因此,,即可逆。由隐函数定理可知存在,使得对任意,存在唯一的和分别为的特征值和相应的特征向量。由于是的,故和关于也是的。
注1
如果不是的单重特征值,上面的结论还成立吗?
从证明中不难看出,如果的代数重数不为1,即便其几何重数为1(见注2),仍有不可逆,亦即不可逆,故隐函数定理不适用。我们可以举一个反例:
显然特征向量的方向是不确定的,我们可以选择合适的使其朝向任意方向。
如果仅仅考虑特征值,则本题会更加简单:构造函数,隐函数定理适用的充分条件是,即是的单重特征值。
注2
设为阶方阵的特征值,几何重数,则其特征子空间中存在垂直于的非零向量使得,此时,故不可逆。
设为阶方阵的特征值,代数重数、几何重数,相应的特征向量为。设是的所有单位特征向量,相应的特征值为,,补充单位正交基。由于的几何重数为1,故。
设在单位正交基上的表示矩阵为
假设的所有特征值都不等于,则
此时的代数重数为1,与题设矛盾!故至少有一个特征值等于。
设的特征值对应的特征向量为,则对于向量,设
选择使得
故需满足
因此不可逆,故隐函数定理不适用。
例 4.3.5
(Mercator地图)从球面的球心引射线,把球面上除南北两极以外的点映射到圆柱面上的点。
-
(1)
-
请写出关于的表达式。
-
(2)
-
如果球面上的点用经度和地理维度刻画,圆柱面上的点用经度和高度刻画,请写出的表达式。
-
(3)
-
求一元函数,使得映射,是一个保角变换,即球面上任何两条相交曲线的夹角(即曲面切线的夹角)等于这两条曲线在柱面上对应曲线的夹角。
解
(1) 设,则
因此
(2) 由题可得,故
(3) 设是球面上过点的一条光滑曲线,则把映为柱面上过点的一条光滑曲线
设、,计算可知的速度向量为
球面上处的两个切向量的内积为
夹角的余弦为
上相应的速度向量为
柱面上处的两个切向量的内积为
夹角的余弦为
由题可知对任意均成立,当且仅当
因此
在实际使用中考虑到对称性等因素,我们选择。
将球面上的所有点通过映射到柱面上,沿柱面的母线剪开就得到一张地图,这就是Mercator地图。我们实际上证明了:Mercator地图上所画的两条相交道路的夹角与实际道路的夹角大小相等。
另解
(3) 设曲线在处的速度向量为。构造如下映射:
故有
由于为球面或柱面的正交参数化,故可设方向的单位向量分别为,定义曲线的倾角满足下列方程的唯一解:
容易验证有下式成立
因此我们只需要证明保倾角即可证明保角。
保倾角的必要条件为保其正切值。注意到
则有
故有
因此
亦即
为了保倾角,应选择正号;考虑到对称性,应选择。故。