同济高数 第11章 第11-7-*6题

教材习题

📝 题目

*6.证明 $\operatorname{rot}(a+b)=\operatorname{rot} a+\operatorname{rot} b$ .

💡 答案解析

[AI解答]

[AI解答]

要证明旋度的线性性质,即 $$ \operatorname{rot}(a+b)=\operatorname{rot} a+\operatorname{rot} b, $$ 其中 $a, b$ 是三维空间中的向量场。

设 $$ a = (P_1, Q_1, R_1),\quad b = (P_2, Q_2, R_2), $$ 则 $$ a+b = (P_1+P_2,\; Q_1+Q_2,\; R_1+R_2). $$

旋度定义为 $$ \operatorname{rot} F = \nabla \times F = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ \displaystyle{\frac{\partial}{\partial x}} & \displaystyle{\frac{\partial}{\partial y}} & \displaystyle{\frac{\partial}{\partial z}} \\ F_x & F_y & F_z \end{vmatrix}. $$

因此,对于 $a+b$,有 $$ \operatorname{rot}(a+b) = \left( \frac{\partial (R_1+R_2)}{\partial y} - \frac{\partial (Q_1+Q_2)}{\partial z},\; \frac{\partial (P_1+P_2)}{\partial z} - \frac{\partial (R_1+R_2)}{\partial x},\; \frac{\partial (Q_1+Q_2)}{\partial x} - \frac{\partial (P_1+P_2)}{\partial y} \right). $$

利用偏导数的线性性质,将每一项拆开: $$ \frac{\partial (R_1+R_2)}{\partial y} = \frac{\partial R_1}{\partial y} + \frac{\partial R_2}{\partial y}, $$ 其他项同理。于是得到: $$ \operatorname{rot}(a+b) = \left( \frac{\partial R_1}{\partial y} - \frac{\partial Q_1}{\partial z} + \frac{\partial R_2}{\partial y} - \frac{\partial Q_2}{\partial z},\; \frac{\partial P_1}{\partial z} - \frac{\partial R_1}{\partial x} + \frac{\partial P_2}{\partial z} - \frac{\partial R_2}{\partial x},\; \frac{\partial Q_1}{\partial x} - \frac{\partial P_1}{\partial y} + \frac{\partial Q_2}{\partial x} - \frac{\partial P_2}{\partial y} \right). $$

这恰好是: $$ \operatorname{rot} a + \operatorname{rot} b = \left( \frac{\partial R_1}{\partial y} - \frac{\partial Q_1}{\partial z},\; \frac{\partial P_1}{\partial z} - \frac{\partial R_1}{\partial x},\; \frac{\partial Q_1}{\partial x} - \frac{\partial P_1}{\partial y} \right) + \left( \frac{\partial R_2}{\partial y} - \frac{\partial Q_2}{\partial z},\; \frac{\partial P_2}{\partial z} - \frac{\partial R_2}{\partial x},\; \frac{\partial Q_2}{\partial x} - \frac{\partial P_2}{\partial y} \right). $$

因此 $$ \operatorname{rot}(a+b) = \operatorname{rot} a + \operatorname{rot} b, $$ 得证。

难度:★☆☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:设定向量场分量
设 a = (P1, Q1, R1), b = (P2, Q2, R2),则 a+b = (P1+P2, Q1+Q2, R1+R2)。
提示:用分量表示向量场便于计算旋度。
步骤 2/5
目标:写出旋度定义
旋度定义为 rot F = ∇ × F = (∂Fz/∂y - ∂Fy/∂z, ∂Fx/∂z - ∂Fz/∂x, ∂Fy/∂x - ∂Fx/∂y)。
公式:rot F = ∇ × F
提示:旋度是向量场的向量微分算子。
步骤 3/5
目标:计算 a+b 的旋度
rot(a+b) = (∂(R1+R2)/∂y - ∂(Q1+Q2)/∂z, ∂(P1+P2)/∂z - ∂(R1+R2)/∂x, ∂(Q1+Q2)/∂x - ∂(P1+P2)/∂y)。
提示:直接代入分量。
步骤 4/5
目标:利用偏导数线性性质展开
将每个偏导数拆开:∂(R1+R2)/∂y = ∂R1/∂y + ∂R2/∂y,类似处理其他项。
公式:∂(f+g)/∂x = ∂f/∂x + ∂g/∂x
提示:偏导数是线性算子。
步骤 5/5
目标:整理得到两个旋度之和
rot(a+b) = (∂R1/∂y - ∂Q1/∂z + ∂R2/∂y - ∂Q2/∂z, ∂P1/∂z - ∂R1/∂x + ∂P2/∂z - ∂R2/∂x, ∂Q1/∂x - ∂P1/∂y + ∂Q2/∂x - ∂P2/∂y) = rot a + rot b。
提示:按分量合并即得。

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