下册 7.3 微分方程的验证及变量替换 第11题

数学分析早年真题

📝 题目

11.通过变量代换变换方程. (1)令 $\displaystyle x=u v, y=\frac{1}{2}\left(u^{2}-v^{2}\right)$ ,变换方程 $\displaystyle \left(z_{x}\right)^{2}+\left(z_{y}\right)^{2}=\frac{1}{\sqrt{x^{2}+y^{2}}}$ . (2)用变换 $\displaystyle u=\ln \sqrt{x^{2}+y^{2}}, v=\arctan \frac{x}{y}$ ,化简方程 $(x+y) z_{x}-(x-y) z_{y}=0$ . (3)通过变换 $\displaystyle u=x y, v=\frac{x}{y}$ 将方程 $x^{2} z_{x x}-y^{2} z_{y y}=0$ 变换为以 $u, v$ 为新的自变量的方程.

💡 答案解析

\section*{解题过程:} (1)在 $\displaystyle x=u v, y=\frac{1}{2}\left(u^{2}-v^{2}\right)$ 两边分别对 $x, y$ 求偏导数得 于是 $$ \begin{aligned} & 1=u_{x} v+u v_{x}, 0=u u_{x}-v v_{x}, 0=u_{y} v+u v_{y}, 1=u u_{y}-v v_{y} \\ & u_{x}=\frac{v}{u^{2}+v^{2}}, v_{x}=\frac{u}{u^{2}+v^{2}}, u_{y}=\frac{u}{u^{2}+v^{2}}, v_{y}=-\frac{v}{u^{2}+v^{2}} \\ & z_{x}=z_{u} \cdot u_{x}+z_{v} \cdot v_{x}=\frac{1}{u^{2}+v^{2}} \cdot\left(v z_{u}+u z_{v}\right) \\ & z_{y}=z_{u} \cdot u_{y}+z_{v} \cdot v_{y}=\frac{1}{u^{2}+v^{2}} \cdot\left(u z_{u}-v z_{v}\right) \\ & z_{x}^{2}+z_{y}^{2}=\frac{1}{\left(u^{2}+v^{2}\right)^{2}} \cdot\left[\left(v z_{u}+u z_{v}\right)^{2}+\left(u z_{u}-v z_{v}\right)^{2}\right] \end{aligned} $$ 而 $\displaystyle x^{2}+y^{2}=(u v)^{2}+\frac{1}{4}\left(u^{2}-v^{2}\right)^{2}=\frac{1}{4}\left(u^{2}+v^{2}\right)^{2}$ ,即 $\displaystyle \sqrt{x^{2}+y^{2}}=\frac{1}{2}\left(u^{2}+v^{2}\right)$ ,所以 $$ \frac{1}{\left(u^{2}+v^{2}\right)^{2}} \cdot\left[\left(v z_{u}+u z_{v}\right)^{2}+\left(u z_{u}-v z_{v}\right)^{2}\right]=\frac{2}{u^{2}+v^{2}} \text {, 即 } z_{u}^{2}+z_{v}^{2}=2 \text { 。 } $$ (2)已知 $\displaystyle z=z(u, v), u=\ln \sqrt{x^{2}+y^{2}}, v=\arctan \frac{x}{y}$ ,则 $$ \begin{aligned} & z_{x}=z_{u} u_{x}+z_{v} v_{x}=\frac{1}{x^{2}+y^{2}}\left(x \cdot z_{u}+y \cdot z_{v}\right), z_{y}=z_{u} u_{y}+z_{v} v_{y}=\frac{1}{x^{2}+y^{2}}\left(y \cdot z_{u}-x \cdot z_{v}\right) . \\ & (x+y) z_{x}-(x-y) z_{y}=\frac{x+y}{x^{2}+y^{2}}\left(x \cdot z_{u}+y \cdot z_{v}\right)-\frac{x-y}{x^{2}+y^{2}}\left(y \cdot z_{u}-x \cdot z_{v}\right)=z_{u}+z_{v} . \end{aligned} $$ 于是由 $(x+y) z_{x}-(x-y) z_{y}=0$ 得 $z_{u}+z_{v}=0$ . (3)$\displaystyle z_{x}=z_{u} u_{x}+z_{v} v_{x}=y z_{u}+\frac{1}{y} \cdot z_{v}, z_{y}=z_{u} u_{y}+z_{v} v_{y}=x z_{u}-\frac{x}{y^{2}} \cdot z_{v}$ . $$ \begin{aligned} z_{x x} & =\left(y z_{u}\right)_{x}+\left(\frac{1}{y} \cdot z_{v}\right)_{x}=y\left(z_{u u} u_{x}+z_{u v} v_{x}\right)+\frac{1}{y}\left(z_{v u} u_{x}+z_{v v} v_{x}\right)=y^{2} z_{u u}+2 z_{u v}+\frac{1}{y^{2}} z_{v v} . \\ z_{y y} & =\left(x z_{u}\right)_{y}-\left(\frac{x}{y^{2}} \cdot z_{v}\right)_{y}=x\left(z_{u u} u_{y}+z_{u v} v_{y}\right)+\frac{2 x}{y^{3}} \cdot z_{v}-\frac{x}{y^{2}}\left(z_{v u} u_{y}+z_{v v} v_{y}\right) \\ & =x^{2} z_{u u}-2 \frac{x^{2}}{y^{2}} z_{u v}+\frac{x^{2}}{y^{4}} z_{v v}+\frac{2 x}{y^{3}} \cdot z_{v} . \end{aligned} $$ 将上述 $z_{x x}, z_{y y}$ 代人原方程,并化简得 $2 x y z_{u v}=z_{v}$ ,即 $2 u z_{u v}=z_{v}$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/10
目标:计算新变量对原变量的偏导数
由 $x=uv$, $y=\frac{1}{2}(u^2-v^2)$ 两边分别对 $x,y$ 求偏导,得到方程组: $$ \begin{cases} 1 = u_x v + u v_x \\ 0 = u u_x - v v_x \end{cases} \quad \begin{cases} 0 = u_y v + u v_y \\ 1 = u u_y - v v_y \end{cases} $$ 解之得: $$ u_x = \frac{v}{u^2+v^2}, \quad v_x = \frac{u}{u^2+v^2}, \quad u_y = \frac{u}{u^2+v^2}, \quad v_y = -\frac{v}{u^2+v^2} $$
公式:隐函数求导法则
提示:注意解线性方程组时系数矩阵的行列式为 $u^2+v^2$,非零。
步骤 2/10
目标:用新变量表示一阶偏导数 $z_x$ 和 $z_y$
由链式法则: $$ z_x = z_u u_x + z_v v_x = \frac{1}{u^2+v^2}(v z_u + u z_v) $$ $$ z_y = z_u u_y + z_v v_y = \frac{1}{u^2+v^2}(u z_u - v z_v) $$
公式:链式法则
提示:注意 $z_u$ 和 $z_v$ 是 $z$ 对 $u,v$ 的偏导,不要混淆。
步骤 3/10
目标:计算 $z_x^2+z_y^2$ 并化简
$$ z_x^2+z_y^2 = \frac{1}{(u^2+v^2)^2}\left[(v z_u+u z_v)^2 + (u z_u - v z_v)^2\right] $$ 展开平方项: $$ (v z_u+u z_v)^2 + (u z_u - v z_v)^2 = (v^2+u^2)z_u^2 + (u^2+v^2)z_v^2 = (u^2+v^2)(z_u^2+z_v^2) $$ 因此: $$ z_x^2+z_y^2 = \frac{z_u^2+z_v^2}{u^2+v^2} $$
公式:平方和公式
提示:交叉项 $2uv z_u z_v$ 会相互抵消,注意检查。
步骤 4/10
目标:计算 $x^2+y^2$ 并用 $u,v$ 表示
$$ x^2+y^2 = (uv)^2 + \frac{1}{4}(u^2-v^2)^2 = u^2v^2 + \frac{1}{4}(u^4 - 2u^2v^2 + v^4) = \frac{1}{4}(u^4+2u^2v^2+v^4) = \frac{1}{4}(u^2+v^2)^2 $$ 所以: $$ \sqrt{x^2+y^2} = \frac{1}{2}(u^2+v^2) $$
提示:注意平方根取正值。
步骤 5/10
目标:代入原方程得到新方程
原方程为 $z_x^2+z_y^2 = \frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}}$,代入得: $$ \frac{z_u^2+z_v^2}{u^2+v^2} = \frac{1}{\frac{1}{2}(u^2+v^2)} = \frac{2}{u^2+v^2} $$ 两边乘以 $u^2+v^2$ 得: $$ z_u^2+z_v^2 = 2 $$
提示:注意分母不能为零,$u^2+v^2 \neq 0$。
步骤 6/10
目标:计算新变量对原变量的偏导数(第二题)
设 $u = \ln\sqrt{x^2+y^2}$, $v = \arctan\frac{x}{y}$,则: $$ u_x = \frac{x}{x^2+y^2}, \quad u_y = \frac{y}{x^2+y^2} $$ $$ v_x = \frac{1}{1+(x/y)^2}\cdot\frac{1}{y} = \frac{y}{x^2+y^2}, \quad v_y = \frac{1}{1+(x/y)^2}\cdot\left(-\frac{x}{y^2}\right) = -\frac{x}{x^2+y^2} $$
公式:偏导数公式
提示:注意 $\arctan$ 的导数公式以及复合函数求导。
步骤 7/10
目标:用新变量表示 $z_x$ 和 $z_y$ 并代入原方程
由链式法则: $$ z_x = z_u u_x + z_v v_x = \frac{x z_u + y z_v}{x^2+y^2} $$ $$ z_y = z_u u_y + z_v v_y = \frac{y z_u - x z_v}{x^2+y^2} $$ 代入 $(x+y)z_x - (x-y)z_y = 0$ 得: $$ \frac{(x+y)(x z_u+y z_v) - (x-y)(y z_u - x z_v)}{x^2+y^2} = 0 $$ 分子化简: $$ (x+y)x z_u + (x+y)y z_v - (x-y)y z_u + (x-y)x z_v = (x^2+xy -xy +y^2)z_u + (xy+y^2 + x^2 -xy)z_v = (x^2+y^2)(z_u+z_v) $$ 因此 $z_u+z_v=0$。
提示:分子化简时注意合并同类项,避免符号错误。
步骤 8/10
目标:计算新变量对原变量的偏导数(第三题)
设 $u=xy$, $v=\frac{x}{y}$,则: $$ u_x = y, \quad u_y = x $$ $$ v_x = \frac{1}{y}, \quad v_y = -\frac{x}{y^2} $$ 由链式法则: $$ z_x = y z_u + \frac{1}{y} z_v, \quad z_y = x z_u - \frac{x}{y^2} z_v $$
提示:注意 $v$ 对 $y$ 的偏导是 $-x/y^2$,不要漏掉负号。
步骤 9/10
目标:计算二阶偏导数 $z_{xx}$ 和 $z_{yy}$
$$ z_{xx} = \frac{\partial}{\partial x}(y z_u + \frac{1}{y} z_v) = y(z_{uu}u_x + z_{uv}v_x) + \frac{1}{y}(z_{vu}u_x + z_{vv}v_x) = y^2 z_{uu} + 2 z_{uv} + \frac{1}{y^2} z_{vv} $$ $$ z_{yy} = \frac{\partial}{\partial y}(x z_u - \frac{x}{y^2} z_v) = x(z_{uu}u_y + z_{uv}v_y) - \frac{x}{y^2}(z_{vu}u_y + z_{vv}v_y) + \frac{2x}{y^3} z_v = x^2 z_{uu} - \frac{2x^2}{y^2} z_{uv} + \frac{x^2}{y^4} z_{vv} + \frac{2x}{y^3} z_v $$
公式:链式法则和乘积法则
提示:注意 $z_{uv}=z_{vu}$,且对 $y$ 求导时 $\frac{1}{y^2}$ 项需用乘积法则。
步骤 10/10
目标:代入原方程并化简
原方程 $x^2 z_{xx} - y^2 z_{yy} = 0$,代入得: $$ x^2\left(y^2 z_{uu} + 2 z_{uv} + \frac{1}{y^2} z_{vv}\right) - y^2\left(x^2 z_{uu} - \frac{2x^2}{y^2} z_{uv} + \frac{x^2}{y^4} z_{vv} + \frac{2x}{y^3} z_v\right) = 0 $$ 化简: $$ x^2 y^2 z_{uu} + 2x^2 z_{uv} + \frac{x^2}{y^2} z_{vv} - x^2 y^2 z_{uu} + 2x^2 z_{uv} - \frac{x^2}{y^2} z_{vv} - \frac{2x}{y} z_v = 0 $$ 即 $4x^2 z_{uv} - \frac{2x}{y} z_v = 0$,两边除以 $2x$($x\neq0$)得: $$ 2x z_{uv} - \frac{1}{y} z_v = 0 \quad \Rightarrow \quad 2xy z_{uv} = z_v $$ 由于 $u=xy$,所以 $2u z_{uv} = z_v$。
提示:化简过程中注意各项抵消,最后结果中 $u$ 和 $v$ 要正确替换。

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