11.1 第8次作业评讲

例 11.1.1 (解答题1,keycap-1keycap-0,yellow-circle86%) 设Σ是半球面x2+y2+z2=4(z≥0)位于圆柱面(x−1)2+y2=1内的部分,方向朝上。求向量场V(x,y,z)=(0,0,z)T穿过曲面Σ的通量。

解 该通量F可表示为keycap-3(1)F:=∫Σzdx∧dy,z=4−x2−y2 利用柱坐标(极坐标)可得(x,y)的取值范围为keycap-3(2)(ρcos⁡θ−1)2+ρ2sin2⁡θ≤1⟹0≤ρ≤2cos⁡θ, −π2≤θ≤π2 代入F的表达式计算可得keycap-4(3)F=∫−π/2π/2dθ∫02cos⁡θ4−ρ2ρdρ=∫−π/2π/2[−13(4−ρ2)3/2]02cos⁡θdθ=83∫−π/2π/2(1−|sin⁡θ|3)dθ=8π3−163∫0π/2sin3⁡θdθ=8π3−329 ◻

注 本题的易错点在于:1−cos2⁡θ=|sin⁡θ|,而不是sin⁡θ!

例 11.1.2 (解答题2,keycap-1keycap-0,green-circle96%) 设Ω是R3中的有界闭区域,它的边界是分片光滑的曲面Σ,u,v是Ω上的连续函数,在Ω内部具有二阶连续偏导数。证明:(4)∮Σ(u∇v−v∇u)⋅ndS=∫Ω(uΔv−vΔu)dV 这里Δ=∇⋅∇是Laplace算子。

证明 根据矢量分析公式可得keycap-5(5)∇⋅(u∇v−v∇u)=uΔv+∇u⋅∇v−vΔu−∇v⋅∇u=uΔv−vΔu 由Gauss公式可得keycap-5(6)∮Σ(u∇v−v∇u)⋅ndS=∫Ω∇⋅(u∇v−v∇u)dV=∫Ω(uΔv−vΔu)dV ◻

例 11.1.3 (解答题3,keycap-1keycap-0,green-circle92%) 计算:(7)∮L[(y2−z2)dx+(z2−x2)dy+(x2−y2)dz] 其中,L是球面x2+y2+z2=1在第一卦限中与三个坐标平面的交线,绕向量(1,1,1)T逆时针旋转。

解 令F=(y2−z2,z2−x2,x2−y2)T,计算旋度可得keycap-5(8)curlF=|exeyez∂∂x∂∂y∂∂zy2−z2z2−x2x2−y2|=−2(y+zz+xx+y) 令Σ={(x,y,z)∈R3 | x2+y2+z2=1, x,y,z≥0},法向量指向+x,+y,+z方向,由Stokes公式、结合球坐标系换元计算可得keycap-5(9)∮LF⋅dl=∫ΣcurlF⋅ndS=−2∫Σ(y+z,x+z,x+y)T⋅(x,y,z)TdS=−4∫Σ(xy+yz+xz)dS=−12∫ΣxydS=−12∫0π/2sin3⁡θdθ∫0π/2cos⁡ϕsin⁡ϕdϕ=−4 ◻

例 11.1.4 (解答题4,keycap-3keycap-0,yellow-circle86%) 求以下微分方程的通解:

(1)

(cos⁡x+1y)dx+(1y−xy2)dy=0

(2)

(ycos⁡x−xsin⁡x)dx+(ysin⁡x+xcos⁡x)dy=0

(3)

(3x3+y)dx+(2x2y−x)dy=0

解 求积分因子的详细过程参考例9.3.12。

(1) 直接凑全微分可得keycap-10(10)cos⁡xdx+dyy+ydx−xdyy2=d(sin⁡x+ln⁡y+xy)=0 因此通解为sin⁡x+ln⁡y+xy=C。

(2) 利用积分因子ey凑全微分可得keycap-10(11)ey(ycos⁡x−xsin⁡x)dx+ey(ysin⁡x+xcos⁡x)dy=d(eyxcos⁡x+yeysin⁡x−eysin⁡x)=0 因此通解为eyxcos⁡x+yeysin⁡x−eysin⁡x=C。

(3) 利用积分因子1x2凑全微分可得keycap-10(12)3xdx+2ydy+ydx−xdyx2=d(32x2+y2−yx) 因此通解为32x3+xy2−y=Cx。 ◻

例 11.1.5 (解答题5,keycap-2keycap-0,yellow-circle88%) 设u(x,y)是调和函数,即满足Laplace方程Δu=0。

(1)

证明:u具有以下平均值性质(13)u(x0,y0)=12πR∮CRudl 其中CR是以(x0,y0)为中心、半径为R的圆周。

(2)

对三元调和函数,是否有类似的平均值性质?请给出你的结论,并给予证明。

解1 参考例10.2.6、例10.2.7。

(1) 首先证明:keycap-10(14)∮∂Ω(v∂u∂n−u∂v∂n)dl=∫Ω(vΔu−uΔv)dS⟹u(x0,y0)=12π∮∂Ω(un⋅r∥r∥2−ln∥r∥∂u∂n)dl 再令Ω=DR即可。

(2) 对于三维的情形,首先证明:keycap-10(15)∮∂Ω(v∂u∂n−u∂v∂n)dS=∫Ω(vΔu−uΔv)dV⟹u(r0)=14π∮∂Ω(un⋅r∥r∥3+1∥r∥∂u∂n)dS 再令Ω=BR即可。 ◻

解2 (1) 令(16)f(r)=12πr∮Crudl=12π∫−ππudθ 当r>0时,求导可得(17)f′(r)=12π∫−ππ∂u∂rdθ=12πr∮Crn⋅∇udl=Green12πr∫DrΔudS=0 故(18)f(r)=const=limr→0+f(0)=u(x0,y0)

(2) 同理,令(19)f(r)=14πr2∮SrudS=14π∫−ππdϕ∫0πusin⁡θdθ 当r>0时,求导可得(20)f′(r)=14π∫−ππdϕ∫0π∂u∂rsin⁡θdθ=14πr2∮Srn⋅∇udS=Gauss14πr2∫BrΔudV=0 故(21)f(r)=const=limr→0+f(0)=u(r0) ◻

解3 (1) 记Dr为以(x0,y0)为中心、半径为r的圆盘,利用r=(x−x0,y−y0)T=rn可得(22)u(x,y)=u(x0,y0)+∫(x0,y0)(x,y)∇u⋅dl=u(x0,y0)+limε→0+∫εR∇u⋅ndr 故有(23)12πR∮CRudl=12πR∮CR[u(x0,y0)+limε→0+∫0R∇u⋅ndr]dl=u(x0,y0)+12πlimε→0+∫εRdrr∮CRn⋅∇udl=Greenu(x0,y0)+12πlimε→0+∫εRdrr∫DRΔudS=u(x0,y0)

(2) 记Sr,Br分别表示以r0为中心、半径为r的球面、球体,同理可得(24)14πR2∮SRudS=14πR2∮SR[u(r0)+limε→0+∫εR∇u⋅ndr]dS=u(r0)+14πR2limε→0+∫εRdr∮SRn⋅∇udS=Gaussu(r0)+14πR2limε→0+∫εRdr∫BRΔudV=u(r0) ◻

解4 (1) 记M0:=maxDR|u|、M1:=maxDR∥∇u∥,利用r=(x−x0,y−y0)T=rn可得(25)∮CRudl=1R∮CRn⋅(ur)dl=Green1R∫DR∇⋅(ur)dS=1R∫DR(∇u⋅r+u∇⋅r)dS=2R∫DRudS+1R∫εRrdr∮Crn⋅∇udl+1R∫Dε∇u⋅rdS⏟≤M1⋅ε⋅πε2→0=Green2R∫DRudS+1R∫εRrdr∫DrΔudS=2R∫DRudS 注意到(26)ddR∫DRudS=∮CRudl+limε→0+1ε∫RR+εdr∫−ππ(r−R)udθ⏟≤1ε⋅ε⋅ε⋅M0⋅2π→0=∮CRudl 因此(27)ddR(1πR2∫DRudS)=−2πR3∫DRudS+1πR2∮CRudl=0 令R→0+、利用积分中值定理可得(28)1πR2∫DRudS=limR→0+1πR2∫DRudS=u(x0,y0)=12πR∮CRudl

(2) 同理可证(29)∮SRudS=3R∫BRudV,ddR∫BRudV=∮SRudS 因此(30)ddR(34πR3∫BRudV)=−94πR4∫BRudV+34πR3∮SRudS=0 令R→0+、利用积分中值定理可得(31)34πR3∫BRudV=limR→0+34πR3∫BRudV=u(r0)=14πR2∮SRudS ◻

解5 (1) 利用极坐标系下的Laplace算子展开式可得(32)Δu=∂2u∂r2+1r∂u∂r+1r2∂2u∂θ2=0 沿Cr积分(dl=rdθ)可得(33)∫−ππ(r∂2u∂r2+∂u∂r)dθ=∮Cr(∂2u∂r2+1r∂u∂r)dl=−1r2∮Cr∂2u∂θ2dl=−1r∫−ππ∂2u∂θ2dθ=0 令(34)f(r)=12πr∮Crudl=12π∫−ππudθ⟹f(n)(r)=12π∫−ππ∂nu∂rndθ 代入可得关于f的常微分方程(35)rf″+f′=0⟹f(r)=A+Bln⁡r 令r→0+可得(36)f(0)=limr→0+12π∫−ππudθ=u(x0,y0)⟹B=0 因此(37)f(r)=const=f(0)=u(x0,y0)

(2) 同理,利用球坐标系下的Laplace算子展开式可得(38)Δu=∂2u∂r2+2r∂u∂r+1r2sin⁡θ∂∂θ(sin⁡θ∂u∂θ)+1r2sin2⁡θ∂2u∂ϕ2=0 沿Sr积分(dS=r2sin⁡θdθdϕ)可得(39)∫−ππdϕ∫0π(r2∂2u∂r2+2r∂u∂r)sin⁡θdθ=−2π∫0π∂∂θ(sin⁡θ∂u∂θ)dθ−∫0πdθsin⁡θ∫−ππ∂2u∂ϕ2dϕ=−2π⋅sin⁡θ∂u∂θ|θ=0π−∫0πdθsin⁡θ∂u∂ϕ|ϕ=−ππ=0+0=0 令(40)f(r)=14πr2∮SrudS=14π∫−ππdϕ∫0πusin⁡θdθ⟹f(n)(r)=14π∫−ππdϕ∫0π∂nu∂rnsin⁡θdθ 代入可得关于f的常微分方程(41)rf″+2f′=0⟹f(r)=A+Br 令r→0+可得(42)f(r)=limr→0+14π∫−ππdϕ∫0πusin⁡θdθ=u(r0)⟹B=0 因此(43)f(r)=const=f(0)=u(r0) ◻