新讲 第12章 多元微分学 第3题

教材习题

📝 题目

例 3 二维拉普拉斯 (Laplace) 算子 $\Delta$ 定义如下:

$$ {\Delta u} = \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}}. $$

试对 $u = \ln \frac{1}{r}\left( {r > 0}\right)$ 计算 ${\Delta u}$ ,这里 $r = \sqrt{{x}^{2} + {y}^{2}}$ .

💡 答案解析

解 我们有

$$ u = \ln \frac{1}{r} = - \frac{1}{2}\ln \left( {{x}^{2} + {y}^{2}}\right) , $$

$$ \frac{\partial u}{\partial x} = - \frac{x}{{x}^{2} + {y}^{2}},\;\frac{\partial u}{\partial y} = - \frac{y}{{x}^{2} + {y}^{2}}, $$

$$ \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} = - \frac{\left( {{x}^{2} + {y}^{2}}\right) - 2{x}^{2}}{{\left( {x}^{2} + {y}^{2}\right) }^{2}} = \frac{{x}^{2} - {y}^{2}}{{\left( {x}^{2} + {y}^{2}\right) }^{2}}, $$

$$ \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}} = \frac{{y}^{2} - {x}^{2}}{{\left( {x}^{2} + {y}^{2}\right) }^{2}}, $$

因而

$$ {\Delta u} = \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}} = 0. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:简化函数表达式
将 u = ln(1/r) 改写为 u = -1/2 ln(x^2 + y^2),其中 r = sqrt(x^2 + y^2)。
公式:u = ln(1/r) = -1/2 ln(x^2 + y^2)
提示:利用对数性质 ln(1/r) = -ln r,且 r = (x^2+y^2)^{1/2},所以 ln r = 1/2 ln(x^2+y^2)。
步骤 2/5
目标:计算一阶偏导数
对 u 分别求 x 和 y 的偏导数:∂u/∂x = -x/(x^2+y^2),∂u/∂y = -y/(x^2+y^2)。
公式:∂u/∂x = -x/(x^2+y^2), ∂u/∂y = -y/(x^2+y^2)
提示:使用链式法则:∂/∂x ln(x^2+y^2) = 2x/(x^2+y^2),再乘以系数 -1/2。
步骤 3/5
目标:计算二阶偏导数 ∂²u/∂x²
对 ∂u/∂x 再次求 x 的偏导:∂²u/∂x² = -[(x^2+y^2) - 2x^2]/(x^2+y^2)^2 = (x^2 - y^2)/(x^2+y^2)^2。
公式:∂²u/∂x² = (x^2 - y^2)/(x^2+y^2)^2
提示:使用商的求导法则:对 -x/(x^2+y^2) 求导,注意分母为 (x^2+y^2)^2。
步骤 4/5
目标:计算二阶偏导数 ∂²u/∂y²
对 ∂u/∂y 再次求 y 的偏导:∂²u/∂y² = -[(x^2+y^2) - 2y^2]/(x^2+y^2)^2 = (y^2 - x^2)/(x^2+y^2)^2。
公式:∂²u/∂y² = (y^2 - x^2)/(x^2+y^2)^2
提示:与 ∂²u/∂x² 类似,注意对称性。
步骤 5/5
目标:计算拉普拉斯算子 Δu
将两个二阶偏导数相加:Δu = ∂²u/∂x² + ∂²u/∂y² = (x^2 - y^2)/(x^2+y^2)^2 + (y^2 - x^2)/(x^2+y^2)^2 = 0。
公式:Δu = 0
提示:分子互为相反数,和为0。

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