同济高数 第9章 第9-2-10题

教材习题

📝 题目

10.验证: (1)$y=\mathrm{e}^{-k n^{2} t} \sin n x$ 满足 $\displaystyle \frac{\partial y}{\partial t}=k \frac{\partial^{2} y}{\partial x^{2}}$ ; (2)$r=\sqrt{x^{2}+y^{2}+z^{2}}$ 满足 $\displaystyle \frac{\partial^{2} r}{\partial x^{2}}+\frac{\partial^{2} r}{\partial y^{2}}+\frac{\partial^{2} r}{\partial z^{2}}=\frac{2}{r}$ .

💡 答案解析

[AI解答]

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**(1)验证** 设 $$ y = e^{-k n^{2} t} \sin(n x) $$ 先求对 $t$ 的偏导数: $$ \frac{\partial y}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial t}\left( e^{-k n^{2} t} \sin(n x) \right) = \sin(n x) \cdot \left( -k n^{2} e^{-k n^{2} t} \right) = -k n^{2} e^{-k n^{2} t} \sin(n x) $$ 再求对 $x$ 的二阶偏导数: 一阶偏导: $$ \frac{\partial y}{\partial x} = e^{-k n^{2} t} \cdot n \cos(n x) $$ 二阶偏导: $$ \frac{\partial^{2} y}{\partial x^{2}} = e^{-k n^{2} t} \cdot \left( -n^{2} \sin(n x) \right) = -n^{2} e^{-k n^{2} t} \sin(n x) $$ 于是 $$ k \frac{\partial^{2} y}{\partial x^{2}} = k \cdot \left( -n^{2} e^{-k n^{2} t} \sin(n x) \right) = -k n^{2} e^{-k n^{2} t} \sin(n x) $$ 比较得 $$ \frac{\partial y}{\partial t} = k \frac{\partial^{2} y}{\partial x^{2}} $$ 成立。

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**(2)验证** 设 $$ r = \sqrt{x^{2} + y^{2} + z^{2}} $$ 先求对 $x$ 的一阶偏导: $$ \frac{\partial r}{\partial x} = \frac{x}{\sqrt{x^{2}+y^{2}+z^{2}}} = \frac{x}{r} $$ 再求二阶偏导: $$ \frac{\partial^{2} r}{\partial x^{2}} = \frac{\partial}{\partial x}\left( \frac{x}{r} \right) = \frac{1 \cdot r - x \cdot \frac{\partial r}{\partial x}}{r^{2}} = \frac{r - x \cdot \frac{x}{r}}{r^{2}} = \frac{r - \frac{x^{2}}{r}}{r^{2}} = \frac{r^{2} - x^{2}}{r^{3}} $$ 同理可得: $$ \frac{\partial^{2} r}{\partial y^{2}} = \frac{r^{2} - y^{2}}{r^{3}}, \quad \frac{\partial^{2} r}{\partial z^{2}} = \frac{r^{2} - z^{2}}{r^{3}} $$ 求和: $$ \frac{\partial^{2} r}{\partial x^{2}} + \frac{\partial^{2} r}{\partial y^{2}} + \frac{\partial^{2} r}{\partial z^{2}} = \frac{(r^{2} - x^{2}) + (r^{2} - y^{2}) + (r^{2} - z^{2})}{r^{3}} = \frac{3r^{2} - (x^{2}+y^{2}+z^{2})}{r^{3}} $$ 而 $x^{2}+y^{2}+z^{2} = r^{2}$,代入得: $$ \frac{3r^{2} - r^{2}}{r^{3}} = \frac{2r^{2}}{r^{3}} = \frac{2}{r} $$ 因此原式成立。

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难度:★★☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/2
目标:验证函数 y = e^{-k n^2 t} sin(nx) 满足偏微分方程 ∂y/∂t = k ∂²y/∂x²
首先计算 y 对 t 的偏导数:∂y/∂t = sin(nx) * ∂/∂t(e^{-k n^2 t}) = sin(nx) * (-k n^2 e^{-k n^2 t}) = -k n^2 e^{-k n^2 t} sin(nx)。然后计算 y 对 x 的一阶偏导:∂y/∂x = e^{-k n^2 t} * n cos(nx),再求二阶偏导:∂²y/∂x² = e^{-k n^2 t} * (-n^2 sin(nx)) = -n^2 e^{-k n^2 t} sin(nx)。最后计算 k ∂²y/∂x² = k * (-n^2 e^{-k n^2 t} sin(nx)) = -k n^2 e^{-k n^2 t} sin(nx),与 ∂y/∂t 相等,故等式成立。
公式:∂y/∂t = -k n^2 e^{-k n^2 t} sin(nx); ∂²y/∂x² = -n^2 e^{-k n^2 t} sin(nx)
提示:注意对指数函数求导时,链式法则的应用;对三角函数求导时,注意符号变化。
步骤 2/2
目标:验证函数 r = √(x²+y²+z²) 满足拉普拉斯方程 ∂²r/∂x² + ∂²r/∂y² + ∂²r/∂z² = 2/r
首先计算 r 对 x 的一阶偏导:∂r/∂x = x / √(x²+y²+z²) = x/r。然后求二阶偏导:∂²r/∂x² = ∂/∂x (x/r) = (1·r - x·∂r/∂x)/r² = (r - x·(x/r))/r² = (r - x²/r)/r² = (r² - x²)/r³。同理可得 ∂²r/∂y² = (r² - y²)/r³,∂²r/∂z² = (r² - z²)/r³。求和得:∂²r/∂x² + ∂²r/∂y² + ∂²r/∂z² = (3r² - (x²+y²+z²))/r³ = (3r² - r²)/r³ = 2r²/r³ = 2/r。因此等式成立。
公式:∂²r/∂x² = (r² - x²)/r³; 求和后得 2/r
提示:注意 r 是 x, y, z 的函数,求导时需使用商法则或链式法则;最终化简时利用 r² = x²+y²+z²。

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