下册 7.3 微分方程的验证及变量替换 第22题

数学分析早年真题

📝 题目

22.变换方程. (1)设变换 $u=x-2 y, v=x+a y$ 把方程 $6 z_{x x}+z_{x y}-z_{y y}=0$ 简化为 $z_{u v}=0$ ,试求常数 $a$ . (2)设变换 $u=x+2 y, v=x+a y$ 把方程 $2 z_{x x}+z_{x y}-z_{y y}=0$ 简化为 $z_{u v}=0$ ,试求常数 $a$ . (3)设变换 $\xi=x+\lambda y, \eta=x-2 y(\lambda \neq-2)$ 把方程 $14 z_{x x}+5 z_{x y}-z_{y y}=0$ 简化为 $z_{\xi \eta}=0$ ,试求常数 $\lambda$ ,并由此求出偏微分方程的解. (4)设 $z=z(x, y)$ 具有二阶连续偏导数,证明存在常数 $a, b$ 使得变换 $u=x+a y, v=x+b y$ 可将微分方程 $z_{x x}+4 z_{x y}+3 z_{y y}=0$ 化为 $z_{u v}=0$ . (5)已知变换 $\xi=x+a y, \eta=x+b y$ ,试将方程 $2 z_{x x}-3 z_{x y}+z_{y y}=0$ 化为 $z_{\xi \eta}=0$ ,求 $a, b$ 的值. (6)设函数 $u(x, t)$ 有二阶连续偏导数,作自变量变换 $\xi=x+a t, \eta=x-a t$ 后函数变为 $u(\xi, \eta)$ ,问方程 $u_{t t}=a^{2} u_{x x}$ 变为什么形式?并求此方程的通解.

💡 答案解析

\section*{解题过程:} (1)$z_{x}=z_{u} u_{x}+z_{v} v_{x}=z_{u}+z_{v}, z_{y}=z_{u} u_{y}+z_{v} v_{y}=-2 z_{u}+a z_{v}$. 进一步计算二阶偏导数得 $$ z_{x x}=z_{u u}+2 z_{u v}+z_{v v}, z_{x y}=-2 z_{u u}+(a-2) z_{u v}+a z_{v v}, z_{y y}=4 z_{u u}-4 a z_{u v}+a^{2} z_{v v} $$ 将其代人方程 $6 z_{x x}+z_{x y}-z_{y y}=0$ 得 $$ (10+5 a) z_{u v}+\left(6+a-a^{2}\right) z_{v v}=0 $$ 由题设知, $10+5 a \neq 0,6+a-a^{2}=0$ .由此解得 $a=3$ . (2)$z_{x}=z_{u} u_{x}+z_{v} v_{x}=z_{u}+z_{v}, z_{y}=z_{u} u_{y}+z_{v} v_{y}=2 z_{u}+a z_{v}$. 进一步计算二阶偏导数得 $$ z_{x x}=z_{u u}+2 z_{u v}+z_{v v}, z_{x y}=2 z_{u u}+(a+2) z_{u v}+a z_{v v}, z_{y y}=4 z_{u u}+4 a z_{u v}+a^{2} z_{v v} . $$ 将其代人方程 $2 z_{x x}+z_{x y}-z_{y y}=0$ 得 $$ (6-3 a) z_{u v}+\left(2+a-a^{2}\right) z_{v v}=0 $$ 由题设知, $6-3 a \neq 0,2+a-a^{2}=0$ .由此解得 $a=-1$ . (3)经计算得 $$ z_{x x}=z_{\xi \xi}+2 z_{\xi \eta}+z_{\eta \eta}, z_{x y}=\lambda z_{\xi \xi}+(\lambda-2) z_{\xi \eta}-2 z_{\eta \eta}, z_{y y}=\lambda^{2} z_{\xi \xi}-4 \lambda z_{\xi \eta}+4 z_{\eta \eta} . $$ 于是由 $14 z_{x x}+5 z_{x y}-z_{y y}=0$ 得 $$ \left(14+5 \lambda-\lambda^{2}\right) z_{\xi \xi}+(9 \lambda+18) z_{\xi \eta}=0 $$ 于是 $\lambda=-2, \lambda=7$ .所以 $z_{\xi}=f(\xi)$ ,故 $$ z=\int f(\xi) \mathrm{d} \xi=F(\xi)+G(\eta)=F(x+7 y)+G(x-2 y) $$ (4)$z_{x}=z_{u} u_{x}+z_{v} v_{x}=z_{u}+z_{v}, z_{y}=z_{u} u_{y}+z_{v} v_{y}=a z_{u}+b z_{v}$ . 进一步计算二阶偏导数得 $$ z_{x x}=z_{u u}+2 z_{u v}+z_{v v}, z_{x y}=a z_{u u}+(a+b) z_{u v}+b z_{v v}, z_{y y}=a^{2} z_{u u}+2 a b z_{u v}+b^{2} z_{v v} . $$ 将其代人方程 $z_{x x}+4 z_{x y}+3 z_{y y}=0$ 得 $$ \left(1+4 a+3 a^{2}\right) z_{u u}+(2+4 a+4 b+6 a b) z_{u v}+\left(1+4 b+3 b^{2}\right) z_{v v}=0 $$ 欲使变换 $u=x+a y, v=x+b y$ 将微分方程 $z_{x x}+4 z_{x y}+3 z_{y y}=0$ 化为 $\displaystyle \frac{\partial^{2} z}{\partial u \partial v}=0$ ,必须 $$ 1+4 a+3 a^{2}=0,1+4 b+3 b^{2}=0,2+4 a+4 b+6 a b \neq 0 $$ 解之得 $\displaystyle a=-\frac{1}{3}, b=-1$ 或 $\displaystyle a=-1, b=-\frac{1}{3}$ . $$ \text { (5) } \begin{aligned} u_{x} & =u_{\xi} \xi_{x}+u_{\eta} \mu_{x}=u_{\xi}+u_{\eta}, u_{y}=u_{\xi} \xi_{y}+u_{\eta} \mu_{y}=a u_{\xi}+b u_{\eta} \\ u_{x x} & =u_{\xi \xi}+2 u_{\xi \eta}+u_{\eta \eta}, u_{x y}=a u_{\xi \xi}+(a+b) u_{\xi \eta}+b u_{\eta \eta}, u_{y y}=a^{2} u_{\xi \xi}+2 a b u_{\xi \eta}+b^{2} u_{\eta \eta} \end{aligned} $$ 将其代人方程 $2 z_{x x}-3 z_{x y}+z_{y y}=0$ 得 $$ \left(2-3 a+a^{2}\right) u_{\xi \xi}+\left(2-3 b+b^{2}\right) u_{\eta \eta}+[4-3(a+b)+2 a b] u_{\xi \eta}=0 $$ 因为变换 $\xi=x+a y, \eta=x+b y$ 将方程 $2 z_{x x}-3 z_{x y}+z_{y y}=0$ 化为 $z_{\xi \eta}=0$ ,所以 $$ 2-3 a+a^{2}=0,2-3 b+b^{2}=0,4-3(a+b)+2 a b \neq 0 $$ 解之得 $a=1, b=2$ 或 $a=2, b=1$ . (6)$u_{x}=u_{\xi} \xi_{x}+u_{\eta} \eta_{x}=u_{\xi}+u_{\eta}, u_{t}=u_{\xi} \xi_{t}+u_{\eta} \eta_{t}=a u_{\xi}-a u_{\eta}$ . $$ u_{x x}=u_{\xi \xi}+2 u_{\xi \eta}+u_{\eta \eta}, u_{n}=a^{2}\left(u_{\xi \xi}-2 u_{\xi \eta}+u_{\eta \eta}\right) . $$ 由方程 $u_{t t}=a^{2} u_{x x}$ 得 $u_{t t}=a^{2}\left(u_{\xi \xi}-2 u_{\xi \eta}+u_{\eta \eta}\right)=a^{2}\left(u_{\xi \xi}+2 u_{\xi \eta}+u_{\eta \eta}\right)=a^{2} u_{x x}$ .所以 $u_{\xi \eta}=0$ . 由 $\displaystyle u_{\xi \eta}=\frac{\partial}{\partial \eta}\left(\frac{\partial u}{\partial \xi}\right)=0$ 得 $$ \frac{\partial u}{\partial \xi}=\varphi\left(\xi, c_{1}\right), u=u(\xi, \eta)=\int \varphi\left(\xi, c_{1}\right) \mathrm{d} \xi+g\left(\eta, c_{2}\right) $$ 即方程 $u_{t t}=a^{2} u_{x x}$ 的通解为 $u=u(\xi, \eta)=\int \varphi\left(x+a t, c_{1}\right)(\mathrm{d} x+a \mathrm{~d} t)+g\left(x-a t, c_{2}\right)$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:计算一阶偏导数
设 $u=x-2y$, $v=x+ay$,则 $z_x = z_u u_x + z_v v_x = z_u + z_v$,$z_y = z_u u_y + z_v v_y = -2z_u + a z_v$。
公式:$z_x = z_u + z_v$, $z_y = -2z_u + a z_v$
提示:注意链式法则,$u_x=1$, $u_y=-2$, $v_x=1$, $v_y=a$。
步骤 2/4
目标:计算二阶偏导数
进一步计算:$z_{xx} = (z_u+z_v)_x = z_{uu}+2z_{uv}+z_{vv}$;$z_{xy} = (z_u+z_v)_y = -2z_{uu}+(a-2)z_{uv}+a z_{vv}$;$z_{yy} = (-2z_u+a z_v)_y = 4z_{uu}-4a z_{uv}+a^2 z_{vv}$。
公式:$z_{xx}=z_{uu}+2z_{uv}+z_{vv}$, $z_{xy}=-2z_{uu}+(a-2)z_{uv}+a z_{vv}$, $z_{yy}=4z_{uu}-4a z_{uv}+a^2 z_{vv}$
提示:注意混合偏导数的计算顺序,$z_{xy}$ 是对 $x$ 和 $y$ 的混合偏导。
步骤 3/4
目标:代入原方程并化简
将二阶偏导数代入方程 $6z_{xx}+z_{xy}-z_{yy}=0$,得:$6(z_{uu}+2z_{uv}+z_{vv}) + (-2z_{uu}+(a-2)z_{uv}+a z_{vv}) - (4z_{uu}-4a z_{uv}+a^2 z_{vv}) = 0$。合并同类项:$z_{uu}$ 系数 $6-2-4=0$,$z_{uv}$ 系数 $12+(a-2)+4a = 10+5a$,$z_{vv}$ 系数 $6+a-a^2$。因此方程化为 $(10+5a)z_{uv} + (6+a-a^2)z_{vv}=0$。
公式:$(10+5a)z_{uv} + (6+a-a^2)z_{vv}=0$
提示:合并系数时注意符号,$z_{yy}$ 项前面有负号。
步骤 4/4
目标:确定常数 a
由题意,方程应简化为 $z_{uv}=0$,因此 $z_{vv}$ 项系数必须为零,且 $z_{uv}$ 系数非零。即 $6+a-a^2=0$ 且 $10+5a \neq 0$。解 $6+a-a^2=0$ 得 $a=3$ 或 $a=-2$。当 $a=-2$ 时 $10+5a=0$,舍去。故 $a=3$。
公式:$6+a-a^2=0$
提示:注意检查 $z_{uv}$ 系数是否为零,否则方程可能退化为其他形式。

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