4.3 习题课讲解

例 4.3.1 函数y=y(x)由方程F(x,y)=0确定,求y的导函数。

将函数代入方程得到恒等式4(1)F(x,y(x))=0Fx(x,y(x))+Fy(x,y(x))y(x)=0y(x)=Fx(x,y(x))Fy(x,y(x)) Fy(x,y(x))0是保证隐函数y=y(x)存在的充分条件。

采用全微分的过程与上面类似。

例 4.3.2 F(x0)=0,则每一个在x0处与Fx0处的梯度向量正交的向量v,都存在光滑曲线x(t)使得F(x(t))=0,且x(0)=x0x(0)=v

证明 设向量n垂直于F(x0)v。构造方程(2)G(x1,x2,x3)=(F(x1,x2,x3)n1(x1x01)+n2(x2x02)+n3(x3x03))=0 G的Jacobi矩阵为(3)J=(F1F2F3n1n2n3)=(F(x0)n) 由于F(x0)n线性无关,故J行满秩,必存在{ξ,η}{x,y,z}使得G(ξ,η)可逆。

不妨设ξ=xη=y,则由隐函数定理可知存在可微函数x=x(z)y=y(z)使得G(x(z),y(z),z)=0。令x(t):=(x(t),y(t),t)T,则x(t)在曲面上,且在t=z0处的切向量垂直于F(x0)n,即平行于v

例 4.3.3 求下面方程的通解:(4)yuxxuy+(x2y2)uz=0

特征方程组为(5)dxy=dyx=dzx2y2 亦即(6)xdx+ydy=0,d(x+y)yx=dzx2y2dz+(x+y)d(x+y)=0 解得特征线为(7)x2+y2=h1,2z+(x+y)2=2z+2xy+x2+y2=constz+xy=h2gC1(R2),则原方程的通解为(8)u(x,y,z)=g(x2+y2,z+xy)

例 4.3.4 λ0是矩阵A0的一个单重特征值(即p(λ0)=0p(λ0)0,其中p(λ)=det(λIA0)),x0A0对应于λ0的一个单位特征向量。证明:存在δ>0,使得对任意矩阵A,只要AA0<δA就有唯一的特征值λ(A)和相应的单位特征向量x(A)使得λ(A0)=λ0x(A0)=x0,并且λ(A)x(A)关于AC的。

证明 构造方程(9)(FG)(A,λ,x)=(xx1(λIA)x)=0 则映射(F,G)(A0,λ0,x0)处对(λ,x)的Jacobi矩阵为(10)J=(F,G)(λ,x)|(A,λ,x)=(A0,λ0,x0)=(02x0Tx0λ0IA0) 故有(11)JJT=(02x0Tx0λ0IA0)(0x0T2x0(λ0IA0)T)=(4x0Tx02[(λ0IA0)x0T]T2(λ0IA0)x0x0x0T+(λ0IA0)(λ0IA0)T)=(400x0x0T+(λ0IA0)(λ0IA0)T)=(200x0x0T+(λ0IA0))(200x0x0T+(λ0IA0)T)B:=x0x0T+(λ0IA0),则有(12)(detJ)2=detJJT=4detBBT=4(detB)2V=span{x0},则BV=V。对任意xVx0,注意到λ0的代数重数为1,则(13)Bx=[x0x0T+(λ0IA0)]x=(λ0IA0)x0 因此Bx=0x=0detB0,即J可逆。由隐函数定理可知存在δ>0,使得对任意AA0<δ,存在唯一的λ(A)x(A)分别为A的特征值和相应的特征向量。由于(F,G)C的,故λ(A)x(A)关于A也是C的。

注1 如果λ0不是A0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λ0的代数重数不为1,即便其几何重数为1(见注2),仍有B不可逆,亦即J不可逆,故隐函数定理不适用。我们可以举一个反例:(14)(1+a1+bc1+d)(ad±a2+4c+4bc2ad+d22c,1)T 显然特征向量的方向是不确定的,我们可以选择合适的a,b,c,d使其朝向任意方向。

如果仅仅考虑特征值λ(A),则本题会更加简单:构造函数p(λ,A)=det(λIA),隐函数定理适用的充分条件是pλ(λ0,A0)0,即λ0A0的单重特征值。

注2λ1n阶方阵A的特征值,几何重数>1,则其特征子空间中存在垂直于x1的非零向量x2使得Bx2=0,此时detB=0,故J不可逆。

λ1n阶方阵A的特征值,代数重数>1、几何重数=1,相应的特征向量为x1。设x1,,xrA的所有单位特征向量,相应的特征值为λ1,,λrV=span{x1,,xr},补充单位正交基V=span{xr+1,,xn}。由于λ1的几何重数为1,故i1λiλ1

A在单位正交基{x1,,xn}上的表示矩阵为(15)A=(diag{λ1,,λr}0UW)n×n 假设W的所有特征值都不等于λ1,则(16)p(λ):=det(λIA)=det(λIA)=det(λIW)i=1r(λλi) 此时λ1的代数重数为1,与题设矛盾!故W至少有一个特征值等于λ1

W的特征值λ1对应的特征向量为(yr+1,,yn),则对于向量x=i=r+1nyixi,设(17)Ax=i=1raixi+i=r+1nλ1yixi 选择x=i=1ryixi使得(18)B(x+x)=[x1x1T+(λ1IA)]i=1nyixi=i=1r[(λ1λi+δi1)yiai]xi=?0x需满足(19)y1=a1,yi=aiλ1λi,i=2,,r 因此B不可逆,故隐函数定理不适用。

例 4.3.5 (Mercator地图)从球面Σ:x2+y2+z2=1的球心引射线,把球面上除南北两极以外的点(x,y,z)映射到圆柱面C:X2+Y2=1上的点(X,Y,Z)

(1)

请写出X,Y,Z关于x,y,z的表达式。

(2)

如果球面上的点(x,y,z)用经度φ和地理维度θ刻画,圆柱面上的点(X,Y,Z)用经度φ和高度Z刻画,请写出Z(φ,θ)的表达式。

(3)

求一元函数f,使得映射F:ΣC(φ,θ)(φ,f(Z(φ,θ)))是一个保角变换,即球面Σ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。

PIC

图 4.3.1: Mercator地图

(1) 设(X,Y,Z)=(tx,ty,tz),则(20)1=X2+Y2=t2(x2+y2)=t2t=1x2+y2 因此(21)X=xx2+y2,Y=yx2+y2,Z=zx2+y2

(2) 由题可得(x,y,z)=(cosθcosφ,cosθsinφ,sinθ),故(22)X=cosφ,Y=sinφ,Z=tanθ

(3) 设γ:(cosθ(t)cosφ(t),cosθ(t)sinφ(t),sinθ(t))是球面上过点P0=γ(t0)的一条光滑曲线,则Fγ映为柱面上过点Q0=F(P0)的一条光滑曲线(23)F(γ):(cosφ(t),sinφ(t),f(tanθ(t)))

ξ=θ(t0)η=φ(t0),计算可知γ的速度向量为(24)v=ξ(sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ)+η(cosθsinφ,cosθcosφ,0) 球面上P0处的两个切向量v1,v2的内积为(25)v1v2=ξ1ξ2+η1η2cos2θ 夹角α1的余弦为(26)cosα1=v1v2|v1||v2|=ξ1ξ2+η1η2cos2θξ12+η12cos2θξ22+η22cos2θ=ξ1ξ2sec2θ+η1η2ξ12sec2θ+η12ξ22sec2θ+η22

F(γ)上相应的速度向量为(27)w=ξ(0,0,f(tanθ)sec2θ)+η(sinφ,cosφ,0) 柱面上Q0处的两个切向量w1,w2的内积为(28)w1w2=ξ1ξ2[f(tanθ)sec2θ]2+η1η2 夹角α2的余弦为(29)cosα2=w1w2|w1||w2|=ξ1ξ2[f(tanθ)sec2θ]2+η1η2ξ12[f(tanθ)sec2θ]2+η12ξ22[f(tanθ)sec2θ]2+η22

由题可知cosα1=cosα2对任意ξ1,ξ2,η1,η2均成立,当且仅当(30)f(tanθ)=±cosθ=±11+tan2θ 因此(31)f(x)=±11+x2f(x)=±ln(x+1+x2)+C=±arsinhx+C 在实际使用中考虑到对称性等因素,我们选择f(x)=arsinhx

将球面上的所有点通过F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γγ(t0)=P0处的速度向量为v=γ(t0)。构造如下映射:(32)tg(φ,θ)h(x,y,z),γ=hg 故有(33)v=γ(t0)=(x,y,z)(φ,θ)(φ(t0)θ(t0))

由于(φ,θ)为球面或柱面的正交参数化,故可设φ,θ方向的单位向量分别为e,e,定义曲线的倾角α(π,π]满足下列方程的唯一解:(34)v=v(cosαe+sinαe) 容易验证有下式成立(35)cos(α1α2)=(ev1)(ev2)+(ev1)(ev2)v1v2=v1v2v1v2 因此我们只需要证明F保倾角α即可证明F保角。

保倾角α的必要条件为保其正切值tanα。注意到(36)v=γ(t0)=(x,y,z)(φ,θ)(φ(t0)θ(t0))=(x,y,z)φφ(r0)e+(x,y,z)θθ(t0)e 则有(37)cosα=evv=φ(t0)v(x,y,z)φ,sinα=evv=θ(t0)v(x,y,z)θ 故有(38)φ(t0)θ(t0)tanα=(x,y,z)θ(x,y,z)φ 因此(39)11+tan2θ=1cosθ=(x,y,z)θ(x,y,z)φ=(X,Y,Z)θ(X,Y,Z)φ=|f(tanθ)|1 亦即(40)f(x)=±11+x2f(x)=±ln(x+1+x2)+C=±arsinhx+C 为了保倾角,应选择正号5;考虑到对称性,应选择C=0。故f(x)=arsinhx

PIC PIC PIC

图 4.3.2: Mercator地图

4注意:此处要特别区分“方程等于0”和“函数恒为0”两个概念。前者只在方程的解集上成立,不能推出其导数(梯度)为0;后者在整个定义域上成立,可以推出其导数(梯度)为0。

5由此可见,保倾角确实是一个比保角更强的条件;但是从地图的实际应用角度出发,保倾角更加合理。