kaoyan1basic 高等数学 第85题

教材习题

📝 题目

### 第85题 设 $u=u\left(\sqrt{x^{2}+y^{2}}\right)\left(r=\sqrt{x^{2}+y^{2}}>0\right)$ 有二阶连续的偏导数,且满足 $$ $\displaystyle \frac{\partial^{2} u}{\partial x^{2}}+\frac{\partial^{2} u}{\partial y^{2}}-\frac{1}{x} \frac{\partial u}{\partial x}+u=x^{2}+y^{2}$ $$ 则 $u\left(\sqrt{x^{2}+y^{2}}\right)=$ $\_\_\_\_$ .

💡 答案解析

**答案**:$\displaystyle u = \frac{1}{4}r^2 + C_1 \ln r + C_2$,其中$r = \sqrt{x^2+y^2}$ **解析**: 步骤1:令$r = \sqrt{x^2+y^2}$,则$u = u(r)$,计算偏导:$\displaystyle \frac{\partial u}{\partial x} = u' \cdot \frac{x}{r}$,$\displaystyle \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} = u'' \cdot \frac{x^2}{r^2} + u' \cdot \frac{r^2 - x^2}{r^3}$,同理$\displaystyle \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = u'' \cdot \frac{y^2}{r^2} + u' \cdot \frac{r^2 - y^2}{r^3}$。 步骤2:代入方程$\displaystyle \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} - \frac{1}{x}\frac{\partial u}{\partial x} + u = x^2+y^2$,得$\displaystyle u'' + \frac{u'}{r} - \frac{u'}{r} + u = r^2$,即$u'' + u = r^2$。 步骤3:解二阶常系数线性微分方程$u'' + u = r^2$,齐次解$u_h = C_1 \cos r + C_2 \sin r$,特解设$u_p = Ar^2 + B$,代入得$2A + Ar^2 + B = r^2$,比较得$A=1, B=-2$,故$u = C_1 \cos r + C_2 \sin r + r^2 - 2$。 **难度**:★★★★☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:变量代换,将偏微分方程转化为常微分方程
令 r = √(x² + y²),则 u = u(r)。计算偏导数:∂u/∂x = u'·(x/r),∂²u/∂x² = u''·(x²/r²) + u'·(r² - x²)/r³,同理 ∂²u/∂y² = u''·(y²/r²) + u'·(r² - y²)/r³。
公式:∂u/∂x = u'·(x/r),∂²u/∂x² = u''·(x²/r²) + u'·(r² - x²)/r³
提示:注意 r 是 x 和 y 的函数,求导时要用链式法则。
步骤 2/3
目标:代入原方程并化简
将偏导数代入方程 ∂²u/∂x² + ∂²u/∂y² - (1/x)∂u/∂x + u = x² + y²,得到 u'' + u'/r - u'/r + u = r²,即 u'' + u = r²。
公式:u'' + u = r²
提示:注意 (1/x)∂u/∂x = (1/x)·u'·(x/r) = u'/r,与另一项 u'/r 抵消。
步骤 3/3
目标:解二阶常系数线性微分方程
齐次方程 u'' + u = 0 的通解为 u_h = C₁ cos r + C₂ sin r。设特解 u_p = Ar² + B,代入得 2A + Ar² + B = r²,比较系数得 A = 1,B = -2,故特解 u_p = r² - 2。因此通解为 u = C₁ cos r + C₂ sin r + r² - 2。
公式:u = C₁ cos r + C₂ sin r + r² - 2
提示:特解形式设为二次多项式是因为非齐次项为 r²。

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