同济高数 第11章 第11-7-*7题

教材习题

📝 题目

*7.设 $u=u(x, y, z)$ 具有二阶连续偏导数,求 $\operatorname{rot}(\operatorname{grad} u)$ .

💡 答案解析

[AI解答]

[AI解答]

我们要求的是旋度作用于梯度,即 $$ \operatorname{rot}(\operatorname{grad} u) $$ 其中 $ u = u(x, y, z) $ 具有二阶连续偏导数。

首先,梯度的表达式为: $$ \operatorname{grad} u = \left( \frac{\partial u}{\partial x}, \frac{\partial u}{\partial y}, \frac{\partial u}{\partial z} \right) $$

旋度的计算公式为: $$ \operatorname{rot} \mathbf{F} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ \displaystyle{\frac{\partial}{\partial x}} & \displaystyle{\frac{\partial}{\partial y}} & \displaystyle{\frac{\partial}{\partial z}} \\ F_x & F_y & F_z \end{vmatrix} $$

将 $\mathbf{F} = \operatorname{grad} u$ 代入,即: $$ F_x = \frac{\partial u}{\partial x}, \quad F_y = \frac{\partial u}{\partial y}, \quad F_z = \frac{\partial u}{\partial z} $$

于是: $$ \operatorname{rot}(\operatorname{grad} u) = \left( \frac{\partial}{\partial y}\left( \frac{\partial u}{\partial z} \right) - \frac{\partial}{\partial z}\left( \frac{\partial u}{\partial y} \right), \; \frac{\partial}{\partial z}\left( \frac{\partial u}{\partial x} \right) - \frac{\partial}{\partial x}\left( \frac{\partial u}{\partial z} \right), \; \frac{\partial}{\partial x}\left( \frac{\partial u}{\partial y} \right) - \frac{\partial}{\partial y}\left( \frac{\partial u}{\partial x} \right) \right) $$

由于 $u$ 具有二阶连续偏导数,混合偏导数与顺序无关,即: $$ \frac{\partial^2 u}{\partial y \partial z} = \frac{\partial^2 u}{\partial z \partial y}, \quad \frac{\partial^2 u}{\partial z \partial x} = \frac{\partial^2 u}{\partial x \partial z}, \quad \frac{\partial^2 u}{\partial x \partial y} = \frac{\partial^2 u}{\partial y \partial x} $$

因此,每个分量均为零: $$ \operatorname{rot}(\operatorname{grad} u) = (0, 0, 0) = \mathbf{0} $$

结论: $$ \boxed{\operatorname{rot}(\operatorname{grad} u) = \mathbf{0}} $$

难度:★☆☆☆☆(这是向量分析中的基本恒等式,只需直接代入定义并利用混合偏导可交换性即可证明。)

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:写出梯度表达式
梯度 grad u = (∂u/∂x, ∂u/∂y, ∂u/∂z)
公式:grad u = (∂u/∂x, ∂u/∂y, ∂u/∂z)
提示:梯度是一个向量场,分量是偏导数。
步骤 2/5
目标:写出旋度公式
旋度 rot F = (∂F_z/∂y - ∂F_y/∂z, ∂F_x/∂z - ∂F_z/∂x, ∂F_y/∂x - ∂F_x/∂y)
公式:rot F = (∂F_z/∂y - ∂F_y/∂z, ∂F_x/∂z - ∂F_z/∂x, ∂F_y/∂x - ∂F_x/∂y)
提示:旋度是向量场的向量算子。
步骤 3/5
目标:代入梯度到旋度
令 F = grad u,则 F_x = ∂u/∂x, F_y = ∂u/∂y, F_z = ∂u/∂z。代入旋度公式得:rot(grad u) = (∂(∂u/∂z)/∂y - ∂(∂u/∂y)/∂z, ∂(∂u/∂x)/∂z - ∂(∂u/∂z)/∂x, ∂(∂u/∂y)/∂x - ∂(∂u/∂x)/∂y)
提示:注意偏导数的顺序。
步骤 4/5
目标:利用混合偏导可交换性
由于u具有二阶连续偏导数,混合偏导数与顺序无关:∂²u/(∂y∂z)=∂²u/(∂z∂y),∂²u/(∂z∂x)=∂²u/(∂x∂z),∂²u/(∂x∂y)=∂²u/(∂y∂x)。因此每个分量均为0。
公式:∂²u/(∂y∂z)=∂²u/(∂z∂y) 等
提示:这是关键步骤,需要二阶连续偏导的条件。
步骤 5/5
目标:得出结论
rot(grad u) = (0,0,0) = 0
提示:结果为0向量。

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