下册 7.3 微分方程的验证及变量替换 第4题

数学分析早年真题

📝 题目

4.证明下列结论. (1)设 $f(x, y)$ 为 $n$ 次齐次方程,即 $\forall t>0, f(t x, t y)=t^{n} f(x, y)$ ,且 $f$ 可微.证明在 $(x, y) \neq(0,0)$处有 $\displaystyle x \frac{\partial f}{\partial x}+y \frac{\partial f}{\partial y}=n f(x, y)$ 。四川大学 2002,天津大学 2002,北京交大 2000) (2)若 $f\left(t x_{1}, t x_{2}, \cdots, t x_{n}\right)=t^{k} f\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right), \forall t>0$ ,称 $f\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right)$ 为 $k$ 齐次的。证明:可微函数 $f\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right)$ 为 $k$ 齐次的 ⇔ $\displaystyle \sum_{i=1}^{n} x_{i} \frac{\partial f}{\partial x_{i}}=k f\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right)$ 。 (3)设 $f(x, y, z)$ 为 $\mathbf{R}^{3}$ 上的 $n$ 次齐次函数:对 $\forall t>0, f(t x, t y, t z)=t^{n} f(x, y, z)$ ,且具有一阶连续偏导数,$f_{z}^{\prime}(x, y, z) \neq 0$ .若方程 $f(x, y, z)=0$ 确定了可微的隐函数 $z=g(x, y)$ ,证明:$z=g(x, y)$ 必为一次齐次函数.

💡 答案解析

\section*{解题过程:} (1)在等式 $f(t x, t y)=t^{n} f(x, y)$ 两边对 $t$ 求导得 $$ \frac{\partial f(t x, t y)}{\partial t}=x f_{1}(t x, t y)+y f_{2}(t x, t y)=n t^{n-1} f(x, y) . $$ 将 $t=1$ 代人即得 $\displaystyle x \frac{\partial f}{\partial x}+y \frac{\partial f}{\partial y}=n f$ . (2)必要性.设可微函数 $f\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right)$ 为 $k$ 齐次的,则 $\forall t>0$ , $$ f\left(t x_{1}, t x_{2}, \cdots, t x_{n}\right)=t^{k} f\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right) . $$ 在等式两边对 $t$ 求导得 $\displaystyle \frac{\partial f\left(t x_{1}, t x_{2}, \cdots, t x_{n}\right)}{\partial t}=x_{1} f_{1}\left(t x_{1}, t x_{2}, \cdots, t x_{n}\right)+x_{2} f_{2}\left(t x_{1}, t x_{2}, \cdots, t x_{n}\right)+\cdots+x_{n} f_{n}\left(t x_{1}, t x_{2}, \cdots, t x_{n}\right)=k t^{k-1} f\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right)$. 将 $t=1$ 代人即得 $\displaystyle \sum_{i=1}^{n} x_{i} \frac{\partial f}{\partial x_{i}}=k f\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right)$ . 充分性:任意固定定义域中一点 $\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right)$ ,记 $\displaystyle F(t)=\frac{f\left(t x_{1}, t x_{2}, \cdots, t x_{n}\right)}{t^{k}},(t>0)$ ,则 $F(t)$ 在 $t>0$ 时是可微的,且 $$ F^{\prime}(t)=\frac{1}{t^{k}}\left\{x_{1} f_{1}\left(t x_{1}, t x_{2}, \cdots, t x_{n}\right)+x_{2} f_{2}\left(t x_{1}, t x_{2}, \cdots, t x_{n}\right)+\cdots+x_{n} f_{n}\left(t x_{1}, t x_{2}, \cdots, t x_{n}\right)\right\}-\frac{k}{t^{k+1}} f\left(t x_{1}, t x_{2}, \cdots, t x_{n}\right) \equiv 0 $$ 从而当 $t>0$ 时 $F(t)=c$(与 $t$ 无关的常数).在函数 $F(t)$ 的等式中令 $t=1$ 得 $c=F(1)=f\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right)$ .于是 $$ F(t)=\frac{f\left(t x_{1}, t x_{2}, \cdots, t x_{n}\right)}{t^{k}}=f\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right), $$ 即 $\forall t>0, f\left(t x_{1}, t x_{2}, \cdots, t x_{n}\right)=t^{k} f\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right)$ ,即可微函数 $f\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right)$ 为 $k$ 次齐次函数。 (3)须证 $\forall t>0, g(t x, t y)=\operatorname{tg}(x, y)$ 或 $x g_{x}+y g_{y}=g(x, y)$ . 在 $f(t x, t y, t z)=t^{n} f(x, y, z)$ 中分别对 $x, y, z, t$ 求导得 于是 $$ \begin{aligned} & f_{1}(t x, t y, t z)=t^{n-1} f_{1}(x, y, z), f_{2}(t x, t y, t z)=t^{n-1} f_{2}(x, y, z), f_{3}(t x, t y, t z)=t^{n-1} f_{3}(x, y, z) . \\ & x f_{1}(t x, t y, t z)+y f_{2}(t x, t y, t z)+z f_{3}(t x, t y, t z)=(n-1) t^{n-1} f(x, y, z) . \end{aligned} $$ 即 $$ x t^{n-1} f_{1}(x, y, z)+y t^{n-1} f_{2}(x, y, z)+z t^{n-1} f_{3}(x, y, z)=(n-1) t^{n-1} f(x, y, z), $$ 由此得 $$ x f_{1}(x, y, z)+y f_{2}(x, y, z)+z f_{3}(x, y, z)=(n-1) f(x, y, z) . $$ 由此得 $\displaystyle \frac{x f_{1}+y f_{2}}{f_{3}}=(n-1) \frac{f(x, y, z)}{f_{3}}-z$ . 由 $f(x, y, z)=0$ 确定的隐函数 $z=g(x, y)$ 满足: $$ g_{x}(x, y)=-\frac{f_{1}}{f_{3}}, g_{y}(x, y)=-\frac{f_{2}}{f_{3}}, f(x, y, g(x, y))=0 . $$ 于是 $\displaystyle x g_{x}(x, y)+y g_{y}(x, y)=-\left(x \frac{f_{1}}{f_{3}}+y \frac{f_{2}}{f_{3}}\right)=-\frac{x f_{1}+y f_{2}}{f_{3}}=-(n-1) \frac{f(x, y, g(x, y))}{f_{3}}+g(x, y)=g(x, y)$ . 由(2)知,$z=g(x, y)$ 为一次齐次函数。

📋 详细解题步骤

步骤 1/8
目标:证明(1):对等式两边求导
已知 $f(tx, ty) = t^n f(x, y)$ 对所有 $t>0$ 成立,且 $f$ 可微。两边对 $t$ 求导,利用链式法则: $$\frac{d}{dt} f(tx, ty) = x \frac{\partial f}{\partial u}(tx, ty) + y \frac{\partial f}{\partial v}(tx, ty) = n t^{n-1} f(x, y),$$ 其中 $u=tx, v=ty$。
公式:链式法则:$\frac{d}{dt} f(tx, ty) = x f_1(tx, ty) + y f_2(tx, ty)$
提示:注意对 $t$ 求导时,$x$ 和 $y$ 视为常数,$f$ 的偏导数在 $(tx, ty)$ 处取值。
步骤 2/8
目标:证明(1):代入 $t=1$ 得到结论
将 $t=1$ 代入上式,得到 $$x \frac{\partial f}{\partial x}(x, y) + y \frac{\partial f}{\partial y}(x, y) = n f(x, y).$$ 注意 $f_1(x,y) = \frac{\partial f}{\partial x}(x,y)$,$f_2(x,y) = \frac{\partial f}{\partial y}(x,y)$。
提示:代入 $t=1$ 时,偏导数变为在 $(x,y)$ 处取值。
步骤 3/8
目标:证明(2):必要性
设 $f$ 是 $k$ 次齐次函数,即 $f(tx_1,\dots,tx_n) = t^k f(x_1,\dots,x_n)$。两边对 $t$ 求导: $$\sum_{i=1}^n x_i \frac{\partial f}{\partial u_i}(tx_1,\dots,tx_n) = k t^{k-1} f(x_1,\dots,x_n),$$ 其中 $u_i = t x_i$。令 $t=1$ 得 $\sum_{i=1}^n x_i \frac{\partial f}{\partial x_i} = k f$。
公式:链式法则:$\frac{d}{dt} f(t\mathbf{x}) = \sum_i x_i f_i(t\mathbf{x})$
提示:注意求导后代入 $t=1$ 时,偏导数在 $(x_1,\dots,x_n)$ 处取值。
步骤 4/8
目标:证明(2):充分性
假设 $\sum_{i=1}^n x_i \frac{\partial f}{\partial x_i} = k f$ 对所有 $(x_1,\dots,x_n)$ 成立。固定一点,定义 $F(t) = \frac{f(tx_1,\dots,tx_n)}{t^k}$,$t>0$。求导得 $$F'(t) = \frac{1}{t^k} \sum_{i=1}^n x_i f_i(t\mathbf{x}) - \frac{k}{t^{k+1}} f(t\mathbf{x}) = \frac{1}{t^{k+1}} \left( \sum_{i=1}^n (t x_i) f_i(t\mathbf{x}) - k f(t\mathbf{x}) \right) = 0,$$ 因为 $\sum_{i=1}^n (t x_i) f_i(t\mathbf{x}) = k f(t\mathbf{x})$ 由假设成立(将 $(x_i)$ 替换为 $(t x_i)$)。所以 $F(t)$ 为常数,$F(t)=F(1)=f(\mathbf{x})$,即 $f(t\mathbf{x}) = t^k f(\mathbf{x})$。
公式:欧拉齐次函数定理的逆用
提示:注意在求导过程中,$\sum (t x_i) f_i(t\mathbf{x})$ 中的变量是 $t x_i$,因此假设条件中的 $x_i$ 应替换为 $t x_i$。
步骤 5/8
目标:证明(3):推导偏导数的齐次性
由 $f(tx, ty, tz) = t^n f(x,y,z)$,两边对 $x$ 求偏导(利用链式法则): $$t f_1(tx, ty, tz) = t^n f_1(x,y,z) \Rightarrow f_1(tx, ty, tz) = t^{n-1} f_1(x,y,z).$$ 类似地,$f_2(tx, ty, tz) = t^{n-1} f_2(x,y,z)$,$f_3(tx, ty, tz) = t^{n-1} f_3(x,y,z)$。
公式:链式法则:$\frac{\partial}{\partial x} f(tx, ty, tz) = t f_1(tx, ty, tz)$
提示:注意对 $x$ 求偏导时,$y,z$ 视为常数,$t$ 也是常数。
步骤 6/8
目标:证明(3):推导欧拉关系式
将 $f(tx, ty, tz) = t^n f(x,y,z)$ 两边对 $t$ 求导: $$x f_1(tx, ty, tz) + y f_2(tx, ty, tz) + z f_3(tx, ty, tz) = n t^{n-1} f(x,y,z).$$ 代入上一步的偏导数关系: $$x t^{n-1} f_1(x,y,z) + y t^{n-1} f_2(x,y,z) + z t^{n-1} f_3(x,y,z) = n t^{n-1} f(x,y,z).$$ 两边除以 $t^{n-1}$($t>0$)得 $$x f_1(x,y,z) + y f_2(x,y,z) + z f_3(x,y,z) = n f(x,y,z).$$
公式:欧拉齐次函数定理:$x f_x + y f_y + z f_z = n f$
提示:注意这里 $n$ 是齐次次数,与(1)(2)中的 $n$ 含义相同。
步骤 7/8
目标:证明(3):利用隐函数求导
由 $f(x,y,z)=0$ 确定隐函数 $z=g(x,y)$,则 $f(x,y,g(x,y))=0$。对 $x$ 求偏导: $$f_1 + f_3 g_x = 0 \Rightarrow g_x = -\frac{f_1}{f_3}.$$ 对 $y$ 求偏导: $$f_2 + f_3 g_y = 0 \Rightarrow g_y = -\frac{f_2}{f_3}.$$
公式:隐函数求导公式:$g_x = -f_x/f_z$, $g_y = -f_y/f_z$
提示:注意 $f_3 \neq 0$ 的条件保证隐函数存在。
步骤 8/8
目标:证明(3):验证 $g$ 满足一次齐次条件
计算 $x g_x + y g_y$: $$x g_x + y g_y = -\frac{x f_1 + y f_2}{f_3}.$$ 由欧拉关系式 $x f_1 + y f_2 + z f_3 = n f$,且 $f(x,y,g(x,y))=0$,得 $x f_1 + y f_2 = -z f_3$。代入上式: $$x g_x + y g_y = -\frac{-z f_3}{f_3} = z = g(x,y).$$ 因此 $x g_x + y g_y = g$,由(2)的充分性知 $g$ 是一次齐次函数。
公式:欧拉关系式:$x f_1 + y f_2 + z f_3 = n f$,当 $f=0$ 时 $x f_1 + y f_2 = -z f_3$
提示:注意在 $f=0$ 的曲面上,欧拉关系式简化为 $x f_1 + y f_2 = -z f_3$。

📷 拍照上传批改

拍照上传批改功能已预留入口,后续接入图片上传、OCR识别与AI批改。