新讲 第12章 多元微分学 第4题

教材习题

📝 题目

例 4 三维拉普拉斯算子 $\Delta$ 定义如下:

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

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

💡 答案解析

解 我们有

$$ u = {\left( {x}^{2} + {y}^{2} + {z}^{2}\right) }^{-1/2}, $$

$$ \frac{\partial u}{\partial x} = - \frac{1}{2}{\left( {x}^{2} + {y}^{2} + {z}^{2}\right) }^{-3/2} \cdot {2x} $$

$$ = - x{\left( {x}^{2} + {y}^{2} + {z}^{2}\right) }^{-3/2}, $$

$$ \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} = - {\left( {x}^{2} + {y}^{2} + {z}^{2}\right) }^{-3/2} + 3{x}^{2}{\left( {x}^{2} + {y}^{2} + {z}^{2}\right) }^{-5/2} $$

$$ = \frac{2{x}^{2} - {y}^{2} - {z}^{2}}{{r}^{5}}, $$

$$ \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}} = \frac{2{y}^{2} - {z}^{2} - {x}^{2}}{{r}^{5}}, $$

$$ \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {z}^{2}} = \frac{2{z}^{2} - {x}^{2} - {y}^{2}}{{r}^{5}}, $$

因而

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

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:写出u的表达式
将u = 1/r写为u = (x^2 + y^2 + z^2)^{-1/2}
公式:u = (x^2 + y^2 + z^2)^{-1/2}
提示:注意r≠0
步骤 2/5
目标:计算一阶偏导数∂u/∂x
对u关于x求偏导,使用链式法则:∂u/∂x = -1/2 (x^2+y^2+z^2)^{-3/2} * 2x = -x (x^2+y^2+z^2)^{-3/2}
公式:∂u/∂x = -x (x^2+y^2+z^2)^{-3/2}
提示:注意负号和指数运算
步骤 3/5
目标:计算二阶偏导数∂²u/∂x²
对∂u/∂x再次关于x求偏导,使用乘积法则:∂²u/∂x² = - (x^2+y^2+z^2)^{-3/2} + 3x^2 (x^2+y^2+z^2)^{-5/2} = (2x^2 - y^2 - z^2)/r^5
公式:∂²u/∂x² = (2x^2 - y^2 - z^2)/r^5
提示:注意合并同类项
步骤 4/5
目标:由对称性得到∂²u/∂y²和∂²u/∂z²
由x,y,z的对称性,直接写出:∂²u/∂y² = (2y^2 - z^2 - x^2)/r^5,∂²u/∂z² = (2z^2 - x^2 - y^2)/r^5
公式:∂²u/∂y² = (2y^2 - z^2 - x^2)/r^5,∂²u/∂z² = (2z^2 - x^2 - y^2)/r^5
提示:轮换坐标即可
步骤 5/5
目标:求和得到拉普拉斯算子
将三个二阶偏导数相加:Δu = (2x^2 - y^2 - z^2 + 2y^2 - z^2 - x^2 + 2z^2 - x^2 - y^2)/r^5 = 0
公式:Δu = 0
提示:分子各项抵消

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