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:(1)ΩnφdS=ΩφdV,Ωn×fdS=Ω×fdV 提示:将被积函数转化为Gauss定理的形式。

证明aR3为任意常向量,由Gauss定理可得(2)aΩnφdS=Ωn(φa)dS=Ω(φa)dV=aΩφdVaΩn×fdS=Ωa(n×f)dS=Ωn(f×a)dS=Ω(f×a)dV=aΩ×fdV 由于a是任意常向量,故有(3)ΩnφdS=ΩφdV,Ωn×fdS=Ω×fdV

例 10.3.2 B:R{rR3r<R}表示球心位于原点、半径为R的开球。设R1>R2>R>0,函数ρC(R3),函数φ:B(R)R的定义为(4)ϕ(r):=B(R1)B(R2)ρ(r)rrdV 向量函数f:=φ。试证明:(5)B(R)f(r)dV=4π3R3f(0) 提示:直接计算证明(6)B(R)ndSrr=4π3R3rr3,rB(R) 并利用推广的Gauss定理证明原式。

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。

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(7)LHS:=R2B(R)(sinθcosϕ,sinθsinϕ,cosθ)sinθdθdϕ(r2+R22rRcosθ)1/2=2πR2k^0πcosθsinθdθ(r2+R22rRcosθ)1/2=t=cosθ2πR2k^11tdt(r2+R22rRt)1/2 注意到当a>b>0时,(8)11tdtabt=11(1babt+ab1abt)dt=[23b2(abt)3/22ab2(abt)1/2]11=23b2[(ab)3/23a(ab)1/2(a+b)3/2+3a(a+b)1/2]=23b2(a+bab)(a(a+b)(ab)) 由于r>R>0,因此(9)LHS=2πR2k^23(2rR)2[(r+R)(rR)][r2+R2(r+R)(rR)]=4πR33r2k^=4π3R3rr3=:RHS 提示得证。记Ω=B(R1)B(R2),由推广的Gauss定理可得(10)LHS:=B(R)f(r)dV=B(R)ϕ(r)ndS=B(R)ndSΩρ(r)rrdV 交换积分次序可得(11)LHS=Ωρ(r)dVB(R)ndSrr=Ωρ(r)dV4π3R3rr3 与此同时,注意到(12)RHS:=4π3R3f(0)=4π3R3Ωρ(r)rrdV|r=0=4π3R3Ω1rr|r=0ρ(r)dV=Ωρ(r)dV4π3R3rr3 得证。

例 10.3.3 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PC1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(13)P=lim|ΔV|0piΔVpi|ΔV| 已知位于r处的单个电偶极子pr处产生的电势φ(14)φ(r)=14πε0p(rr)rr3 故电介质Ω在介质外部的r处产生的电势φ可表示为(15)φ(r)=14πε0piΩpi(rr)rr314πε0lim|ΔV|0ΔVP(r)ΔV(rr)rr3=14πε0ΩP(r)(rr)rr3dV,rΩ 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=Pn产生的电势之和,即:(16)φ(r)=14πε0Ωρp(r)rrdV+14πε0Ωσp(r)rrdS

证明 注意到被积函数可表示为(17)P(r)(rr)rr3=P(r)1rr=P(r)rrP(r)rr 由Gauss定理可得(18)φ(r)=14πε0ΩP(r)rrdV14πε0ΩP(r)rrdV=14πε0ΩnP(r)rrdS+14πε0ΩP(r)rrdV=14πε0Ωσp(r)rrdS+14πε0Ωρp(r)rrdV

例 10.3.4 类似地,设线性极化的磁介质Ω的磁化强度矢量为MC1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(19)M=lim|ΔV|0miΔVmi|ΔV| 已知位于r处的单个磁偶极子mr处产生的磁矢势A(20)A(r)=μ04πm×(rr)rr3 故磁介质Ω在介质外部的r处产生的磁矢势A可表示为(21)A(r)=μ04πmiΩmi×(rr)rr3μ04πlim|ΔV|0ΔVM(r)ΔV×(rr)rr3=μ04πΩM(r)×(rr)rr3dV,rΩ 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:(22)A(r)=μ04πΩjm(r)rrdV+μ04πΩim(r)rrdS

证明 注意到被积函数可表示为(23)M(r)×(rr)rr3=M(r)×1rr=×M(r)rr+×M(r)rr 由推广的Gauss定理可得(24)A(r)=Ω×M(r)rrdV+Ω×M(r)rrdV=ΩM(r)×nrrdS+Ω×M(r)rrdV=Ωim(r)rrdS+Ωjm(r)rrdV

例 10.3.5 (例5改)设ΩR3中的有界闭区域,其边界分片光滑。对不在Ω上的固定点P0,设r=P0PnΩ的单位外法向量,证明:(25)Ωnrr3dS={4π,P0Ω0,P0Ω

证明 注意到(26)rr3=0,r0

(1) 若P0Ω,则r0,由Gauss定理可得(27)Ωnrr3dS=Ωrr3dV=0

(2) 若P0Ω,则P0Ω的内点。选择合适的ε>0,令Ω~=ΩB(P0,ε),由Gauss定理可得(28)Ωnrr3dSB(P0,ε)nrr3dS=Ω~nrr3dS=Ω~rr3dV=0 因此(29)Ωnrr3dS=B(P0,ε)nrr3dS=B(P0,ε)1ε2dS=4π

综上所述,得证。

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Ω(仍为R3中的有界闭区域且满足ΩΩ)中,电荷体密度为ρ,则空间的电场可表示为(30)E(r)=Ωρ(r)4πε0rrrr3dV Ω上的电通量为(31)Φ(Ω)=ΩEndS=Ωρ(r)4πε0dVΩrrrr3ndS 由本题的结论可得电场Gauss定理:(32)Φ(Ω)=Ωρ(r)ε0dV1rΩ=1ε0Ωρ(r)dV=Q(Ω)ε0 由Gauss定理可得(33)Φ(Ω)=ΩEdV=ΩEndS=1ε0Ωρ(r)dVΩ的任意性可得真空Maxwell方程组的第一式:(34)E=ρε0

例 10.3.6 (例6改,Laplace算子与调和函数)设ΩR3中的有界闭区域,其边界分片光滑,nΩ的单位外法向量。函数u,vΩ上连续、在Ω内二阶连续可微,证明:

(1)

(35)ΩvundS=ΩvΔudV+ΩvudV

(2)

(36)Ω(vunuvn)dS=Ω(vΔuuΔv)dV

(3)

Δu=0,则对Ω内的任意一点P0,证明:(37)u(P0)=14πΩ(unrr3+1run)dS 其中对曲面Ω上的点Pr=P0PnΩP点的单位外法向量。

(4)

Δu=0,则对任意一点P0R>0,证明:(38)u(P0)=14πR2B(P0,R)u(P)dS

证明 (1) 由Gauss定理可得(39)ΩvundS=Ω(vu)dV=ΩvΔudV+ΩvudV

(2) 由(1)即得证。

(3) P0Ω的内点,令v=1r,则(40)nrr3=vn=vn,Δv=0,r0 选择合适的ε>0,令Ω~=ΩB(P0,ε),由Gauss定理和积分中值定理可得(41)RHS=14π(ΩB(P0,ε)+B(P0,ε))(vunuvn)dS=14πΩ~(vΔuuΔv)dV+14πB(P0,ε)(unrr3+1run)dS=14πB(P0,ε)u(P)ε2dS+14πεB(P0,ε)ΔudV=u(P),PB(P0,ε)ε0+可得(42)u(P0)=14πΩ(unrr3+1run)dS

(4) 令Ω=B(P0,R),由(3)可得(43)u(P0)=14πR2B(P0,R)u(P)dS+14πRB(P0,R)ΔudV=14πR2B(P0,R)u(P)dS

例 10.3.7 (例7改,平面上的Laplace算子与调和函数)设ΩR2中的有界闭区域,其边界分片光滑,nΩ的单位外法向量。函数u,vΩ上连续、在Ω内二阶连续可微,证明:

(1)

(44)Ωvundl=ΩvΔudxdy+Ωvudxdy

(2)

(45)Ω(vunuvn)dl=Ω(vΔuuΔv)dxdy

(3)

Δu=0,则对Ω内的任意一点P0,证明:(46)u(P0)=12πΩ(unrr2lnrun)dl 其中对曲面Ω上的点Pr=P0PnΩP点的单位外法向量。

(4)

Δu=0,则对任意一点P0R>0,证明:(47)u(P0)=12πRB(P0,R)u(P)dl

(5)

f:DC在区域DC上解析,若fD上处处可导。证明:若fD上解析,f(z)=u(x,y)+iv(x,y),其中z=x+iyx,y,u(x,y),v(x,y)R,则u,v都是D上的调和函数。

(6)

f:DCD上解析,证明:对任意有界闭区域ΩD,成立Cauchy-Goursat定理(48)Ωf(z)dz=0 以及对Ω内部的任意一点z0,成立Cauchy积分公式(49)f(z0)=12πiΩf(z)zz0dz

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fz0=x0+iy0处可导,则2(50)Δf=Δu+iΔv=AΔz+ρ(Δz)Δz,ρ(Δz)=o(1)A=α+iβρ(Δz)=ρ1(Δz)+iρ2(Δz),则(51)Δu+iΔv=(αΔxβΔy+ρ1Δxρ2Δy)+i(βΔx+αΔy+ρ2Δx+ρ1Δy) 故有(52)Δu=αΔxβΔy+o(Δx2+Δy2)Δv=βΔx+αΔy+o(Δx2+Δy2)u(x,y),v(x,y)(x0,y0)处均可微,且成立Cauchy-Riemann方程(53)ux=vy=α,uy=vx=β 因此(54)2ux2=xvy=yvx=2uy2uxx+uyy=0uD上的调和函数。同理,v也是D上的调和函数。

(6) 假定3u,vC1,由Green公式可得(55)Ωf(z)dz=Ω(udxvdy)+iΩ(vdx+udy)=Ω(vxuy)dxdy+iΩ(uxvy)dxdy=0 选择合适的ε>0,令Ω~=ΩB(P0,ε),由Green公式可得(56)RHS=12πi(ΩB(z0,ε)+B(z0,ε))f(z)zz0dz=12πi(Ω~+B(z0,ε))f(z)zz0dz 由于g:zf(z)zz0Ω~上解析,由Cauchy-Goursat定理可得(57)Ω~f(z)zz0dz=0 由积分中值定理可得(58)RHS=12πiB(z0,ε)f(z)zz0dz=z=z0+εeiθ12πiππf(z0+εeiθ)εeiθεieiθdθ=12πππf(z0+εeiθ)dθ=f(z0+εeiθ~)ε0+可得(59)f(z0)=12πiΩf(z)zz0dz