10.3 习题课讲解
例 10.3.1
试利用向量分析公式证明Gauss定理的推广形式:
提示:将被积函数转化为Gauss定理的形式。
证明
设为任意常向量,由Gauss定理可得
由于是任意常向量,故有
例 10.3.2
记表示球心位于原点、半径为的开球。设,函数,函数的定义为
向量函数。试证明:
提示:直接计算证明
并利用推广的Gauss定理证明原式。
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。以方向为极轴建立球坐标系,则等式左侧可化为
注意到当时,
由于,因此
提示得证。记,由推广的Gauss定理可得
交换积分次序可得
与此同时,注意到
得证。
例 10.3.3
设线性极化的电介质(中的有界闭区域,边界分片光滑)的电位移矢量为(且仅在上有定义),其物理意义为单位体积内的电偶极矩,即
已知位于处的单个电偶极子在处产生的电势为
故电介质在介质外部的处产生的电势可表示为
试证明:可以等价地表示为电介质的体电荷和表面电荷产生的电势之和,即:
证明
注意到被积函数可表示为
由Gauss定理可得
例 10.3.4
类似地,设线性极化的磁介质的磁化强度矢量为(且仅在上有定义),其物理意义为单位体积内的磁偶极矩,即
已知位于处的单个磁偶极子在处产生的磁矢势为
故磁介质在介质外部的处产生的磁矢势可表示为
试证明:可以等价地表示为磁介质的体磁化电流和表面磁化电流产生的磁矢势之和,即:
证明
注意到被积函数可表示为
由推广的Gauss定理可得
例 10.3.5
(例5改)设为中的有界闭区域,其边界分片光滑。对不在上的固定点,设,为的单位外法向量,证明:
证明
注意到
(1) 若,则,由Gauss定理可得
(2) 若,则为的内点。选择合适的,令,由Gauss定理可得
因此
综上所述,得证。
注
本题是联系Coulomb定律与电场Gauss定理的桥梁。设空间的所有电荷均分布在(仍为中的有界闭区域且满足)中,电荷体密度为,则空间的电场可表示为
上的电通量为
由本题的结论可得电场Gauss定理:
由Gauss定理可得
由的任意性可得真空Maxwell方程组的第一式:
例 10.3.6
(例6改,Laplace算子与调和函数)设为中的有界闭区域,其边界分片光滑,为的单位外法向量。函数在上连续、在内二阶连续可微,证明:
-
(1)
-
-
(2)
-
-
(3)
-
设,则对内的任意一点,证明:
其中对曲面上的点,,为在点的单位外法向量。
-
(4)
-
设,则对任意一点和,证明:
证明
(1) 由Gauss定理可得
(2) 由(1)即得证。
(3) 为的内点,令,则
选择合适的,令,由Gauss定理和积分中值定理可得
令可得
(4) 令,由(3)可得
例 10.3.7
(例7改,平面上的Laplace算子与调和函数)设为中的有界闭区域,其边界分片光滑,为的单位外法向量。函数在上连续、在内二阶连续可微,证明:
-
(1)
-
-
(2)
-
-
(3)
-
设,则对内的任意一点,证明:
其中对曲面上的点,,为在点的单位外法向量。
-
(4)
-
设,则对任意一点和,证明:
-
(5)
-
称在区域上解析,若在上处处可导。证明:若在上解析,,其中且,则都是上的调和函数。
-
(6)
-
设在上解析,证明:对任意有界闭区域,成立Cauchy-Goursat定理
以及对内部的任意一点,成立Cauchy积分公式
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) 设在处可导,则
记、,则
故有
故在处均可微,且成立Cauchy-Riemann方程
因此
故为上的调和函数。同理,也是上的调和函数。
(6) 假定,由Green公式可得
选择合适的,令,由Green公式可得
由于在上解析,由Cauchy-Goursat定理可得
由积分中值定理可得
令可得