10.2 习题课讲解

10.2.1 Gauss公式

例 10.2.1 (例1) 记Σ+为圆柱面Σ:x2+y2=1位于0≤z≤2的部分,外法向为正,计算曲面积分:(1)I=∫Σ+[x(y−z)dy∧dz+(x−y)dx∧dy]

解 对柱体x2+y2≤1, 0≤z≤2应用Gauss公式,可得(2)∮∂Ω[x(y−z)dy∧dz+(x−y)dx∧dy]=∫Ω(y−z)dxdydz=−∫Ωzdxdydz=−π∫02zdz=−2π 为了计算原积分,需要去掉上下底面的积分结果,分别为(3)∫∂D, z=2, 上[x(y−z)dy∧dz+(x−y)dx∧dy]=∫x2+y2≤1(x−y)dxdy=0∫∂D, z=0, 下[x(y−z)dy∧dz+(x−y)dx∧dy]=∫x2+y2≤1(x−y)dxdy=0 所以所求积分值为−2π。 ◻

例 10.2.2 (例2) 计算:向量场V=xy i→+yz j→+zx k→从里向外穿过第一卦限中球面x2+y2+z2=1时的通量。

解 取(4)Ω={(x,y,z)∣x,y,z≥0, x2+y2+z2≤1} 计算楔积可得(5) d(xydy∧dz+yzdz∧dx+zxdx∧dy)=d(xy)∧dy∧dz+d(yz)dz∧dx+d(zx)dx∧dy=ydx∧dy∧dz+zdy∧dx+xdz∧dx∧dy=(x+y+z)dx∧dy∧dz 由Gauss公式可得(6)∮∂Ω(xydy∧dz+yzdz∧dx+zxdx∧dy)=∫Ω(y+z+x)dxdydz 由对称性可得(7)I=3∫Ωxdxdydz=3∫01xdx∫y2+z2≤1−x2, y,z≥0dydz=3∫01π(1−x2)4xdx=3π16 为了计算原积分,需要去掉∂Ω的三个坐标平面S1,S2,S3上的积分值,分别为(8)∫Sk(xydy∧dz+yzdz∧dx+zxdx∧dy)=0,k=1,2,3 所以(9)∫Σ+ω=∮∂Ωω=3π16 ◻

例 10.2.3 (例3) 设Σ为x2+y2+z2=R2, (z≥0)的上侧,计算曲面积分:(10)∫Σ(x2dy∧dz+y2dz∧dx+z2dx∧dy)

解 记Ω为半球体x2+y2+z2≤R2, (z≥0)。在平面z=0上,有(11)ω:=x2dy∧dz+y2dz∧dx+z2dx∧dy=0 所以(12)∫Σ+ω=∮∂Ωω=∫Ωdω=2∫Ω(x+y+z)dxdydz=2∫x2+y2+z2≤R2, z≥0zdxdydz=∫0Rdz∫x2+y2≤R2−z22zdxdy=∫0R2zπ(R2−z2)dz=πR42 ◻

例 10.2.4 (例4) 设Σ为x2a2+y2b2+z2c2=1的外侧,计算曲面积分:(13)∮Σ(x3dy∧dz+y3dz∧dx+z3dx∧dy)

解 设(x,y,z)=(aX,bY,cZ),则Σ1:X2+Y2+Z2=1且为外侧,换元可得(14)I=∮Σ(x3dy∧dz+y3dz∧dx+z3dx∧dy)=∮Σ1(a3bcX3dY∧dZ+ab3cY3dZ∧dX+abc3Z3dX∧dY) 变换(X,Y,Z)↦(Y,Z,X)保向且保球面,所以(15)∮Σ1X3dY∧dZ=∮Σ1Y3dZ∧dX=∮Σ1Z3dX∧dY 因此(16)I=a3bc+ab3c+abc33∮Σ1(X3dY∧dZ+Y3dZ∧dX+Z3dX∧dY)=abc(a2+b2+c2)3∫X2+Y2+Z2≤1(3X2+3Y2+3Z2)dXdYdZ=abc(a2+b2+c2)∫01dr∫S(r)r2dS=abc(a2+b2+c2)∫014πr4dr=4πabc(a2+b2+c2)5 ◻

例 10.2.5 (例5) 设Ω为R3中的有界闭区域,其边界分片光滑,n=(cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ)是∂Ω的单位外法向量。

(1)

设a为常向量(场),计算:(17)∮∂Ωcos⁡(n,a)dS=∮∂Ωn⋅a∥a∥dS

(2)

设r=(x,y,z)、|Ω|为Ω的体积,计算:(18)∮∂Ω(xcos⁡α+ycos⁡β+zcos⁡γ)dS=∮∂Ωn⋅rdS

(3)

对不在∂Ω上的固定点P0,设r=P0P→,n为∂Ω的单位外法向量,计算:(19)∮∂Ωcos⁡(n,r)∥r∥2dS=∮∂Ωn⋅r∥r∥3dS

证明 (1) 由Gauss公式可得(20)∮∂Ωn⋅a∥a∥dS=∫Ω∇⋅(a∥a∥)dV=∫Ω0dV=0

(2) 由Gauss公式可得(21)∮∂Ωn⋅rdS=∫Ω∇⋅rdV=∫Ω3dV=3|Ω|

(3) 注意到(22)∇⋅r∥r∥3=0,∀r≠0 1∘ 若P0∉Ω,则r≠0,由Gauss公式可得(23)∮∂Ωn⋅r∥r∥3dS=∫Ω∇⋅r∥r∥3dV=0 2∘ 若P0∈Ω,则P0为Ω的内点。选择合适的ε>0,令Ω~=Ω∖B(P0,ε),由Gauss公式可得(24)∮∂Ωn⋅r∥r∥3dS−∮∂B(P0,ε)n⋅r∥r∥3dS=∮∂Ω~n⋅r∥r∥3dS=∫Ω~∇⋅r∥r∥3dV=0 因此(25)∮∂Ωn⋅r∥r∥3dS=∮∂B(P0,ε)n⋅r∥r∥3dS=∮∂B(P0,ε)1ε2dS=4π 综上所述,我们有(26)∮∂Ωn⋅r∥r∥3dS={4π,P0∈Ω0,P0∉Ω ◻

注 本题是联系Coulomb定律与电场Gauss公式的桥梁。设空间的所有电荷均分布在Ω′(仍为R3中的有界闭区域且满足Ω⊆Ω′)中,电荷体密度为ρ,则空间的电场可表示为(27)E(r)=∫Ω′ρ(r′)4πε0r−r′∥r−r′∥3dV′ Ω上的电通量为(28)Φ(Ω)=∮∂ΩE⋅ndS=∫Ω′ρ(r′)4πε0dV′∮∂Ωr−r′∥r−r′∥3⋅ndS 由本题的结论可得电场Gauss公式:(29)Φ(Ω)=∫Ω′ρ(r′)ε0dV′⋅1r′∈Ω=1ε0∫Ωρ(r′)dV′=Q(Ω)ε0 由Gauss公式可得(30)Φ(Ω)=∫Ω∇⋅EdV=∮∂ΩE⋅ndS=1ε0∫Ωρ(r)dV 由Ω的任意性可得真空Maxwell方程组的第一式:(31)∇⋅E=ρε0

例 10.2.6 (例6,Laplace算子与调和函数) 设Ω为R3中的有界闭区域,其边界分片光滑,n为∂Ω的单位外法向量。函数u,v在Ω上连续、在Ω内二阶连续可微,证明:

(1)

(32)∮∂Ωv∂u∂ndS=∫ΩvΔudV+∫Ω∇v⋅∇udV

(2)

(33)∮∂Ω(v∂u∂n−u∂v∂n)dS=∫Ω(vΔu−uΔv)dV

(3)

设Δu=0,则对Ω内的任意一点P0,证明:(34)u(P0)=14π∮∂Ω(un⋅r∥r∥3+1∥r∥∂u∂n)dS 其中对曲面∂Ω上的点P,r=P0P→,n为∂Ω在P点的单位外法向量。

(4)

设Δu=0,则对任意一点P0和R>0,证明:(35)u(P0)=14πR2∮∂B(P0,R)u(P)dS

证明 (1) 由Gauss公式可得(36)∮∂Ωv∂u∂ndS=∫Ω∇⋅(v∇u)dV=∫ΩvΔudV+∫Ω∇v⋅∇udV

(2) 由(1)即得证。

(3) P0为Ω的内点,令v=1∥r∥,则(37)n⋅r∥r∥3=−∇v⋅n=−∂v∂n,Δv=0,∀r≠0 选择合适的ε>0,令Ω~=Ω∖B(P0,ε),由Gauss公式和积分中值定理可得(38)RHS=14π(∮∂Ω−∮∂B(P0,ε)+∮∂B(P0,ε))(v∂u∂n−u∂v∂n)dS=14π∫Ω~(vΔu−uΔv)dV+14π∮∂B(P0,ε)(un⋅r∥r∥3+1∥r∥∂u∂n)dS=14π∮∂B(P0,ε)u(P)ε2dS+14πε∫B(P0,ε)ΔudV=u(P),P∈B(P0,ε) 令ε→0+可得(39)u(P0)=14π∮∂Ω(un⋅r∥r∥3+1∥r∥∂u∂n)dS

(4) 令Ω=B(P0,R),由(3)可得(40)u(P0)=14πR2∮∂B(P0,R)u(P)dS+14πR∫B(P0,R)ΔudV=14πR2∮∂B(P0,R)u(P)dS ◻

例 10.2.7 (例7,平面上的Laplace算子与调和函数) 设Ω为R2中的有界闭区域,其边界分片光滑,n为∂Ω的单位外法向量。函数u,v在Ω上连续、在Ω内二阶连续可微,证明:

(1)

(41)∮∂Ωv∂u∂ndl=∫ΩvΔudxdy+∫Ω∇v⋅∇udxdy

(2)

(42)∮∂Ω(v∂u∂n−u∂v∂n)dl=∫Ω(vΔu−uΔv)dxdy

(3)

设Δu=0,则对Ω内的任意一点P0,证明:(43)u(P0)=12π∮∂Ω(un⋅r∥r∥2−ln∥r∥∂u∂n)dl 其中对曲面∂Ω上的点P,r=P0P→,n为∂Ω在P点的单位外法向量。

(4)

设Δu=0,则对任意一点P0和R>0,证明:(44)u(P0)=12πR∮∂B(P0,R)u(P)dl

(5)

称f:D→C在区域D⊆C上解析,若f在D上处处可导。证明:若f在D上解析,f(z)=u(x,y)+iv(x,y),其中z=x+iy且x,y,u(x,y),v(x,y)∈R,则u,v都是D上的调和函数。

(6)

设f:D→C在D上解析,证明:对任意有界闭区域Ω⊆D,成立Cauchy-Goursat定理(45)∮∂Ωf(z)dz=0 以及对Ω内部的任意一点z0,成立Cauchy积分公式(46)f(z0)=12πi∮∂Ωf(z)z−z0dz

证明 (1)(2)(3)(4) 与上例相似,利用散度形式的Green公式即可证明,故略去。

(5) 设f在z0=x0+iy0处可导,则4(47)Δf=Δu+iΔv=AΔz+ρ(Δz)Δz,ρ(Δz)=o(1) 记A=α+iβ、ρ(Δz)=ρ1(Δz)+iρ2(Δz),则(48)Δu+iΔv=(αΔx−βΔy+ρ1Δx−ρ2Δy)+i(βΔx+αΔy+ρ2Δx+ρ1Δy) 故有(49)Δu=αΔx−βΔy+o(Δx2+Δy2)Δv=βΔx+αΔy+o(Δx2+Δy2) 故u(x,y),v(x,y)在(x0,y0)处均可微,且成立Cauchy-Riemann方程(50)∂u∂x=∂v∂y=α,∂u∂y=−∂v∂x=β 因此(51)∂2u∂x2=∂∂x∂v∂y=∂∂y∂v∂x=−∂2u∂y2⟹uxx+uyy=0 故u为D上的调和函数。同理,v也是D上的调和函数。

(6) 假定5u,v∈C1,由Green公式可得(52)∮∂Ωf(z)dz=∮∂Ω(udx−vdy)+i∫∂Ω(vdx+udy)=∫Ω(−∂v∂x−∂u∂y)dxdy+i∫Ω(∂u∂x−∂v∂y)dxdy=0 选择合适的ε>0,令Ω~=Ω∖B(P0,ε),由Green公式可得(53)RHS=12πi(∮∂Ω−∮∂B(z0,ε)+∮∂B(z0,ε))f(z)z−z0dz=12πi(∮∂Ω~+∮∂B(z0,ε))f(z)z−z0dz 由于g:z↦f(z)z−z0在Ω~上解析,由Cauchy-Goursat定理可得(54)∮∂Ω~f(z)z−z0dz=0 由积分中值定理可得(55)RHS=12πi∮∂B(z0,ε)f(z)z−z0dz=z=z0+εeiθ12πi∫−ππf(z0+εeiθ)εeiθεieiθdθ=12π∫−ππf(z0+εeiθ)dθ=f(z0+εeiθ~) 令ε→0+可得(56)f(z0)=12πi∮∂Ωf(z)z−z0dz ◻

例 10.2.8 (第十三届全国大学生数学竞赛初赛(非数学类) · 四) 对于4次齐次函数(57)f(x,y,z)=a1x4+a2y4+a3z4+3a4x2y2+3a5y2z2+3a6z2x2 计算曲面积分∮Σf(x,y,z)dS,其中Σ:x2+y2+z2=1。

解 方法一:利用轮换对称性、直接代入球坐标计算,只需要计算两个积分,过程略。

方法二:因为f为4次齐次函数,所以∀t∈R,恒有(58)f(tx,ty,tz)=t4f(x,y,z) 对上式两边关于t求导,可得(59)xf1(tx,ty,tz)+yf2(tx,ty,tz)+zf3(tx,ty,tz)=4t3f(x,y,z) 取t=1,得(60)xfx+yfy+zfz=4f

曲面Σ上点(x,y,z)处的外法向量n=(x,y,z),故有(61)∮ΣfdS=14∮Σ+⟨∇f,n⟩dS 记Ω:x2+y2+z2=1,则Σ=∂Ω,由Gauss公式可得(62)∮Σ+⟨∇f,n⟩dS=6∫Ω[x2(2a1+a4+a6)+y2(2a2+a4+a5)+z2(2a3+a5+a6)]dV 利用轮换对称性可得(63)∮ΣfdS=∑i=16ai∫Ω(x2+y2+z2)dV=∑i=16ai∫01ρ2⋅4πρ2dρ=4π5∑i=16ai ◻

10.2.2 Stokes公式

例 10.2.9 (例8(1)) 设γ为球面x2+y2+z2=R2与平面x+y+z=0的交线,它在xOy平面中的投影绕原点逆时针旋转,计算曲线积分:(64)I=∮γ+(ydx+zdy+xdz)

解 取Σ为圆盘(65){x2+y2+z2≤R2,x+y+z=0 则(66)∮γ+(ydx+zdy+xdz)=∫Σ(dy∧dx+dz∧dy+dx∧dz)=∫Σ(−1,−1,−1)T⋅ndS=−∫Σ3n⋅ndS=−3πR2 ◻

例 10.2.10 (例8(2)) 设γ为圆柱面x2+y2=1与平面x+z=1的交线,它在xOy平面中的投影绕原点逆时针旋转,计算曲线积分:(67)I=∮γ+[(y−x)dx+(z−y)dy+(x−z)dz]

解 取Σ为椭圆片(68){x2+y2≤1,x+z=1 则(69) ∮γ+[(y−x)dx+(z−y)dy+(x−z)dz]=∫Σ(dy∧dx+dz∧dy+dx∧dz)=∫Σ[dy∧dx+d(1−x)∧dy+dx∧d(1−x)]=∫Σ−2dx∧dy=−2∫x2+y2≤1dxdy=−2π ◻

例 10.2.11 (例8(3)) 设γ为从A(a,0,0)到B(0,b,0)再到C(0,0,c)最后回到A的折线段,计算曲线积分:(70)I=∮γ+(y2dx+z2dy+x2dz)

解1 取Σ为曲面(71)xa+yb+zc=1,x,y,z≥0 则(72)I=∮γ+(y2dx+z2dy+x2dz)=∫Σ(2ydy∧dx+2zdz∧dy+2xdx∧dz)=∫Σ, x=0−2zdy∧dz+∫Σ, y=0−2xdz∧dx+∫Σ, z=0−2ydx∧dy 令(u,v,w)=(xa,yb,zc),换元可得(73)I=−2(bc2+ca2+ab2)∫u+v≤1, u,v≥0ududv=−2(ab2+bc2+ca2)∫01dv∫01−vudu=−(ab2+bc2+ca2)∫01(1−v)2dv=−ab2+bc2+ca23 ◻

解2 直接沿道路积分,如(74)∫A→Bω=∫xa+yb=1, y:0→b∫0by2d(a(1−yb))=−ab23 类似得到另两段积分。由此可见,Stokes未必总是简单。 ◻

10.2.3 *Gauss公式在物理中的应用

例 10.2.12 试利用向量分析公式证明Gauss公式的推广形式:(75)∮∂ΩnφdS=∫Ω∇φdV,∮∂Ωn×fdS=∫Ω∇×fdV 提示:将被积函数转化为Gauss公式的形式。

证明 设a∈R3为任意常向量,由Gauss公式可得(76)a⋅∮∂ΩnφdS=∮∂Ωn⋅(φa)dS=∫Ω∇⋅(φa)dV=a⋅∫Ω∇φdVa⋅∮∂Ωn×fdS=∮∂Ωa⋅(n×f)dS=∮∂Ωn⋅(f×a)dS=∫Ω∇⋅(f×a)dV=a⋅∫Ω∇×fdV 由于a是任意常向量,故有(77)∮∂ΩnφdS=∫Ω∇φdV,∮∂Ωn×fdS=∫Ω∇×fdV ◻

例 10.2.13 (线性电介质) 设线性极化的电介质(R3中的有界闭区域,边界分片光滑)Ω的电位移矢量为P(C1且仅在Ω上有定义),其物理意义为单位体积内的电偶极矩,即(78)P=lim|ΔV|→0∑pi∈ΔVpi|ΔV| 已知位于r′处的单个电偶极子p在r处产生的电势φ为(79)φ(r)=14πε0p⋅(r−r′)∥r−r′∥3 故电介质Ω在介质外部的r处产生的电势φ可表示为(80)φ(r)=14πε0∑pi∈Ωpi⋅(r−r′)∥r−r′∥3≈14πε0lim|ΔV|→0∑ΔVP(r′)ΔV⋅(r−r′)∥r−r′∥3=14πε0∫ΩP(r′)⋅(r−r′)∥r−r′∥3dV′,r∉Ω 试证明:φ可以等价地表示为电介质的体电荷ρp=−∇⋅P和表面电荷σp=P⋅n产生的电势之和,即:(81)φ(r)=14πε0∫Ωρp(r′)∥r−r′∥dV′+14πε0∮∂Ωσp(r′)∥r−r′∥dS′

证明 注意到被积函数可表示为(82)P(r′)⋅(r−r′)∥r−r′∥3=P(r′)⋅∇′1∥r−r′∥=∇′⋅P(r′)∥r−r′∥−∇′⋅P(r′)∥r−r′∥ 由Gauss公式可得(83)φ(r)=14πε0∫Ω∇′⋅P(r′)∥r−r′∥dV′−14πε0∫Ω∇′⋅P(r′)∥r−r′∥dV′=14πε0∮∂Ωn⋅P(r′)∥r−r′∥dS′+14πε0∫Ω−∇′⋅P(r′)∥r−r′∥dV′=14πε0∮∂Ωσp(r′)∥r−r′∥dS′+14πε0∫Ωρp(r′)∥r−r′∥dV′ ◻

例 10.2.14 (Archimedes定律) 设静流体的密度为ρ。由于重力加速度g的存在,流体内部存在压强梯度,其满足(84)∇p=ρg 其中正号表示沿g方向压强增大。对于流体中法向量为n的面片dS,其受到流体沿法向量方向的压力为(85)F=pndS 设Ω为浸泡在流体中的物体,试证明:物体Ω受到流体产生的压力合力为(86)F=−ρg|Ω|

证明 设F为物体Ω受到的压力合力,n为物体表面∂Ω的单位外法向量,则(87)F=−∮∂ΩpndS 其中负号表达流体的作用力沿内法向量方向。由推广的Gauss公式可得(88)F=−∮∂ΩpndS=−∫Ω∇pdV=−∫ΩρgdV=−ρg|Ω| ◻

例 10.2.15 (线性磁介质) 设线性极化的磁介质Ω的磁化强度矢量为M(C1且仅在Ω上有定义),其物理意义为单位体积内的磁偶极矩,即(89)M=lim|ΔV|→0∑mi∈ΔVmi|ΔV| 已知位于r′处的单个磁偶极子m在r处产生的磁矢势A为(90)A(r)=μ04πm×(r−r′)∥r−r′∥3 故磁介质Ω在介质外部的r处产生的磁矢势A可表示为(91)A(r)=μ04π∑mi∈Ωmi×(r−r′)∥r−r′∥3≈μ04πlim|ΔV|→0∑ΔVM(r′)ΔV×(r−r′)∥r−r′∥3=μ04π∫ΩM(r′)×(r−r′)∥r−r′∥3dV′,r∉Ω 试证明:A可以等价地表示为磁介质的体磁化电流jm=∇×M和表面磁化电流im=M×n产生的磁矢势之和,即:(92)A(r)=μ04π∫Ωjm(r′)∥r−r′∥dV′+μ04π∮∂Ωim(r′)∥r−r′∥dS′

证明 注意到被积函数可表示为(93)M(r′)×(r−r′)∥r−r′∥3=M(r′)×∇′1∥r−r′∥=−∇′×M(r′)∥r−r′∥+∇′×M(r′)∥r−r′∥ 由推广的Gauss公式可得(94)A(r)=−∫Ω∇′×M(r′)∥r−r′∥dV′+∫Ω∇′×M(r′)∥r−r′∥dV′=∮∂ΩM(r′)×n∥r−r′∥dS′+∫Ω∇′×M(r′)∥r−r′∥dV′=∮∂Ωim(r′)∥r−r′∥dS′+∫Ωjm(r′)∥r−r′∥dV′ ◻

例 10.2.16 (静电场的唯一性定理) 设Ω⊆R3为有界闭区域,电势φ:Ω→R满足Poisson方程Δφ=f。证明:在以下三种边界条件之一成立时,方程的解φ至多相差一个常数。

  • Dirichlet边界条件:φ|∂Ω=g(已知)。
  • Neumann边界条件:∂φ∂n|∂Ω=h(已知)。
  • 导体边界条件:φ|∂Ω=const(未知),且∮∂Ω∂φ∂ndS=F(已知)。

证明 设φ1,φ2均满足原Poisson方程和对应的边界条件,令φ=φ1−φ2,则φ满足Laplace方程Δφ=0和对应的其次边界条件:

  • Dirichlet边界条件:φ|∂Ω=0。
  • Neumann边界条件:∂φ∂n|∂Ω=0。
  • 导体边界条件:φ|∂Ω=φ0(未知),且∮∂Ω∂φ∂ndS=0。

注意到(95)∫Ω∥∇φ∥2dV=∫Ω[∇⋅(φ∇φ)−φΔφ]dV=∫∂Ωφ∂φ∂ndS 在以上三种边界条件下,都有∫Ω∥∇φ∥2dV=0,故∇φ=0,即φ为常数。 ◻

例 10.2.17 记B:R↦{r∈R3∣∥r∥<R}表示球心位于原点、半径为R的开球。设R1>R2>R>0,函数ρ∈C(R3),函数φ:B(R)→R的定义为(96)φ(r):=∫B(R1)∖B(R2)ρ(r′)∥r−r′∥dV 向量函数f:=∇φ。试证明:(97)∫B(R)f(r)dV=4π3R3f(0) 提示:直接计算证明(98)∮∂B(R)ndS∥r′−r∥=4π3R3r′∥r′∥3,∀r′∉B(R) 并利用推广的Gauss公式证明原式。

注 本题的物理背景为:对于空间中没有自由电荷的区域,任意一个球的电场平均值等于球心处的电场。

解 我们首先证明提示。以r′方向为极轴建立球坐标系Oxyz,则等式左侧可化为(99)LHS′:=R2∮∂B(R)(sin⁡θcos⁡ϕ,sin⁡θsin⁡ϕ,cos⁡θ)sin⁡θdθdϕ(r′2+R2−2r′Rcos⁡θ)1/2=2πR2k^∫0πcos⁡θsin⁡θdθ(r′2+R2−2r′Rcos⁡θ)1/2=t=cos⁡θ2πR2k^∫−11tdt(r′2+R2−2r′Rt)1/2 注意到当a>b>0时,(100)∫−11tdta−bt=∫−11(−1ba−bt+ab1a−bt)dt=[23b2(a−bt)3/2−2ab2(a−bt)1/2]−11=23b2[(a−b)3/2−3a(a−b)1/2−(a+b)3/2+3a(a+b)1/2]=23b2(a+b−a−b)(a−(a+b)(a−b)) 由于r′>R>0,因此(101)LHS′=2πR2k^⋅23(2r′R)2[(r′+R)−(r′−R)][r′2+R2−(r′+R)(r′−R)]=4πR33r′2k^=4π3R3r′∥r′∥3=:RHS′ 提示得证。记Ω=B(R1)∖B(R2),由推广的Gauss公式可得(102)LHS:=∫B(R)f(r)dV=∮∂B(R)ϕ(r)ndS=∮∂B(R)ndS∫Ωρ(r′)∥r−r′∥dV′ 交换积分次序可得(103)LHS=∫Ωρ(r′)dV′∮∂B(R)ndS∥r′−r∥=∫Ωρ(r′)dV′⋅4π3R3r′∥r′∥3 与此同时,注意到(104)RHS:=4π3R3f(0)=4π3R3∇∫Ωρ(r′)∥r−r′∥dV′|r=0=4π3R3∫Ω∇1∥r−r′∥|r=0ρ(r′)dV′=∫Ωρ(r′)dV′⋅4π3R3r′∥r′∥3 得证。 ◻

4在本小题中,Δ表示变化量而不是Laplace算子。

5实际上,仅仅满足u,v可微(即(5)的推论)就可以证明Cauchy-Goursat定理,但这个证明要复杂得多。