8.4 习题课讲解

例 8.4.1 Dδ={(x,y)δ2x2+y21},设f:DδR2C1满足x2+y2=1f(x,y)=0,证明:(1)limδ0+Dδxfx(x,y)+yfy(x,y)x2+y2dxdy=2πf(0,0)

证明 由题得(2)I(δ):=Dδxfx(x,y)+yfy(x,y)x2+y2dxdy=Dδfrr2dS=DδflnrdS 注意到2(3)(flnr)=flnr+f2lnr,2lnr=Δlnr=0Cr:={(x,y)x2+y2=r2}(自然正向),则有(4)I(δ)=Dδ(flnr)dS=Dδ+flnrndl=C1frr2rrdlCδfrr2rrdl=Cδfdlr 由积分中值定理可得θδ使得(5)I(δ)=f(δcosθδ,δsinθδ)Cδdlr=2πf(δcosθδ,δsinθδ)δ0+2πf(0,0)

例 8.4.2 u为有界开集DR2上的调和函数(记Δu:=uxx+uyy=0),证明:

(1)

(6)u(x0,y0)=12πD+(ulnrnlnrun)dl 其中(x0,y0)Dr=(x,y)(x0,y0)r=|r|nD的单位外法向量。

(2)

(7)u(x0,y0)=12πRL+u(x,y)dl 其中L为以(x0,y0)为圆心、R为半径的位于D中的任意圆周。

证明 (1) 注意到(8)ulnrnlnrun=(ulnrlnru)n 原积分在(x0,y0)处有瑕点。记Cδ:={(x,y)(xx0)2+(yy0)2=δ2}(自然正向),Dδ=D{(x,y)(xx0)2+(yy0)2δ2},由Green公式可得(9)RHS=12πD+Cδ+Cδ(ulnrlnru)ndl,(D+Cδ=Dδ+)=12πDδ(ulnrlnru)dS+12πCδ(ulnrlnru)ndl=12πDδ(u2lnrlnr2u)dS+12πCδ(urr2lnru)rrdl 注意到2lnr=2u=0,计算可得(10)RHS=0+12πCδudlr12πCδunlnrdl 由积分中值定理可得θδ使得(11)Cδudlr=u(x0+δcosθδ,y0+δsinθδ)Cδdlrδ0+2πu(x0,y0) 由积分的三角不等式可得(12)|Cδunlnrdl|Cδ|un||lnr|dl2πδ|lnδ|maxCδuδ0+0 因此(13)RHS=u(x0,y0)=LHS

(2) 由(1)的结论可得(14)u(x0,y0)=12πL+(ulnrnlnrun)dl=12πL+urr2rrdllnR2πL+undl=12πRL+u(x,y)dllnR2πDR2udS=12πRL+u(x,y)dl

例 8.4.3 计算:(15)I=L+y2dx+z2dy+x2dz 其中L+是曲线{x2+y2+z2=a2x2+y2=axz0,a>0),从x轴正方向看去为逆时针方向。

证明 首先需要利用对称性。观察到曲线L关于Oxz平面对称,在对称点上y2dx(以及x2dz)大小相等、符号相反(见图 8.4.1),故有(16)L+y2dx=L+x2dz=0

xyOdxdxdydydzdz

图 8.4.1: 曲线L的对称性示意图

其次,本题的关键在于选择合适的曲线参数化方式。一种自然的想法是利用x2+y2=ax(xa2)2+y2=(a2)2,故可取(17)x=a2(1+cosθ)=acos2θ2,y=a2sinθ,z=a2ax=a|sinθ2|,θ[0,2π] 计算可得(18)I=L+z2dy=02πa2sin2θ2a2cosθdθ=π4a3

另一种想法是利用球坐标,即(19){x=asinθcosφy=asinθsinφz=acosθ,x2+y2=axsinθ=cosφ,π2φπ2 因此曲线可参数化为(20){x=acos2φy=acosφsinφz=a|sinφ|,π2φπ2 其余计算过程与前述相同。

例 8.4.4 (例5)求(21)I=γ(y2z2)dx+(z2x2)dy+(x2y2)dz 其中γ是球面片x2+y2+z2=1,(x,y,z0)的边界曲线,绕向量(1,1,1)T按右手定则旋转。

直接利用Stokes公式并不是一个好的做法,因为3段积分曲线分别在3个坐标平面上,直接计算并不麻烦。利用x,y,z的轮换对称性可得(22)γxz2dyy2dz=γyx2dzz2dx=γzy2dxx2dy 其中γx,γy,γz分别为γ在坐标平面x=0,y=0,z=0的部分。对于γz:θ(cosθ,sinθ),0θπ2,计算可得(23)I3=0π/2sin2θdcosθcos2θdsinθ=43I=4

例 8.4.5 (例10)设在上半平面D={(x,y)y>0}内,函数f:R2R2具有连续偏导数,且对任意的t>0都有f(tx,ty)=t2f(x,y)。证明:对D内的任意分段光滑的有向简单闭曲线L,都有(24)I=Lyf(x,y)dxxf(x,y)dy=0

证明 不妨设L为自然正向,记L围成的区域为Ω。由于L在上半平面内,故有(25)f(x,y)=f(xyy,y)=1y2f(xy,1) 因此(26)I=L1yf(xy,1)dxxy2f(xy,1)dy=Lf(xy,1)dxyf(,1)的原函数为F,则有(27)I=F(xy)|AB=A=0

例 8.4.6 φ:R2R2是微分同胚,(x,y)T=φ(u,v)D0为有界闭区域,其边界D0分段C1D1:=φ(D0)。用Green公式证明:(28)|D1|=D0|det(x,y)(u,v)|dudv

证明 首先,我们需要证明以下引理:

引理 8.4.7 φD0映射为D1,则映射前后曲线正向是否改变取决于det(x,y)(u,v)的符号。

引理证明 我们首先需要给“曲线正向”一个数学表述。

对于平面闭合曲线L,其前向单位切向量为τ^、外向单位法向量n^z轴的(正向)单位向量为k^,则k^(n^×τ^)的符号反映了L的定向。设τ,n分别为与τ^,n^同向的切向量、法向量,则k=n1τ2n2τ1的符号反映了L的定向。

D0f(u,v)0确定(否则考虑f),则n=f为外法向量(指向f增大的方向)。设D0+可以参数化为t(uv),则τ=(u(t)v(t))为前切向量。

现考虑变换φ:D0D1(u,v)(x,y),令f~=fφ1,则D1f~(x.y)0确定,n=(x,y)f~D1+可以参数化为t(uv)φ(xy),则τ=(x(t)y(t))。记J=Jφ=(x,y)(u,v),由链式法则可得(29)(xy)=(Jφ)(uv),(x,y)f~=(x,y)(fφ1)=(Jφ1)T(u,v)f 因此τ=Jτn=JTn

k=n1τ2n2τ1,等式两端分别同乘τ1,τ2,结合nτ=n1τ1+n2τ2=0可得(30){kτ1=n1τ1τ2n2τ12=n2(τ12+τ22)kτ2=n1τ22n2τ2τ1=n1(τ12+τ22){n1=kτ2τ12+τ22=k~τ2n2=kτ1τ12+τ22=k~τ1(31)J=(abcd)JT=1detJ(dcba) 则有(32)k=n1τ2n2τ1=1detJ[(dn1cn2)(cτ1+dτ2)(bn1+an2)(aτ1+bτ2)]=k~detJ[(dτ2+cτ1)(cτ1+dτ2)(bτ2aτ1)(aτ1+bτ2)]=k~detJ(τ12+τ22)=kdetJτ12+τ22τ12+τ22k的符号与kdetJ相同。

引理证明结束,我们回到原命题。注意到(33)I1=D1xdy=abx(t)y(t)dt=abx(t)[yuu(t)+yvv(t)]dt=D0xyudu+xyvdv=GreenD0[u(xuv)v(xuu)]dudv=D0(xuyvxvyu)dudv=D0det(x,y)(u,v)dudvdetJ>0,则映射前后曲线正向不变,故有(34)|D1|=I1=D0|det(x,y)(u,v)|dudvdetJ<0,则映射前后曲线正向改变,故有(35)|D1|=I1=D0|det(x,y)(u,v)|dudv 综上所述,原命题得证。