方企勤 第六章 多元函数积分学 第6.5题

教材习题

📝 题目

6.5.3 (1) 求

$$ f\left( {x,y,z}\right) = \frac{1}{\sqrt{{\left( x - a\right) }^{2} + {\left( y - b\right) }^{2} + {\left( z - c\right) }^{2}}}\;\left( {{a}^{2} + {b}^{2} + {c}^{2} \neq {R}^{2}}\right) $$

沿球面 ${x}^{2} + {y}^{2} + {z}^{2} = {R}^{2}$ 上各点外法线方向的方向导数;

(2)求球面的双层位势

$$ u\left( {a,b,c}\right) = {\iint }_{{x}^{2} + {y}^{2} + {z}^{2} = {R}^{2}}\frac{\left( {x - a}\right) \mathrm{d}y\mathrm{\;d}z + \left( {y - b}\right) \mathrm{d}z\mathrm{\;d}x + \left( {z - c}\right) \mathrm{d}x\mathrm{\;d}y}{{\left\lbrack {\left( x - a\right) }^{2} + {\left( y - b\right) }^{2} + {\left( z - c\right) }^{2}\right\rbrack }^{3/2}} $$

$$ \left( {{a}^{2} + {b}^{2} + {c}^{2} \neq {R}^{2}}\right) \text{ . } $$

💡 答案解析

6. 5.1 (1) ${4\pi }{R}^{3};\;\left( 2\right) \frac{2}{3}\pi {h}^{3};\;\left( 3\right) 1$ (利用变换求重积分).

📋 详细解题步骤

步骤 1/2
目标:求方向导数
设球面方程为 x^2+y^2+z^2=R^2,外法线方向为 (x,y,z)/R。函数 f=1/√((x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2)。方向导数 ∂f/∂n = ∇f·n。计算梯度 ∇f = -(x-a, y-b, z-c)/[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2]^{3/2}。点乘得 ∂f/∂n = -[x(x-a)+y(y-b)+z(z-c)]/(R[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2]^{3/2})。在球面上,x^2+y^2+z^2=R^2,分子可写为 R^2 - (ax+by+cz)。因此方向导数为 -(R^2 - (ax+by+cz))/(R[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2]^{3/2})。
公式:∂f/∂n = -[R^2 - (ax+by+cz)]/(R[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2]^{3/2})
提示:注意外法线方向向量为 (x,y,z)/R。
步骤 2/2
目标:求双层位势
双层位势 u(a,b,c) = ∬_S ( (x-a)dydz + (y-b)dzdx + (z-c)dxdy ) / [(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2]^{3/2}。利用高斯公式将曲面积分转化为三重积分。令 P=(x-a)/r^3, Q=(y-b)/r^3, R=(z-c)/r^3,其中 r=√((x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2)。则散度 div(P,Q,R) = 0 当 (a,b,c) 不在球内时。若 (a,b,c) 在球外,积分值为0;若在球内,积分值为4π。但题目条件 a^2+b^2+c^2≠R^2,故需分情况。实际上,该积分等于球面立体角乘以R^2?更直接:利用方向导数结果,双层位势等于方向导数乘以R的积分?注意:被积函数中 (x-a)dydz 等对应外法向分量。实际上,该积分等于 ∬_S (∂f/∂n) dS 乘以?由方向导数结果,∂f/∂n = -(R^2 - (ax+by+cz))/(R r^3)。而原积分中,dydz = cosα dS,等等,其中 (cosα, cosβ, cosγ) = (x/R, y/R, z/R)。所以被积函数为 [(x-a)cosα + (y-b)cosβ + (z-c)cosγ]/r^3 dS = [x(x-a)+y(y-b)+z(z-c)]/(R r^3) dS = (R^2 - (ax+by+cz))/(R r^3) dS。因此原积分 = ∬_S (R^2 - (ax+by+cz))/(R r^3) dS = -∬_S ∂f/∂n dS。由高斯公式,当 (a,b,c) 在球内时,∬_S ∂f/∂n dS = -4π;在球外时为0。所以 u = -(-4π)=4π 当 (a,b,c) 在球内;u=0 当在球外。但答案给出的是 4πR^3?检查:题目答案(1)是4πR^3?实际上题目中(1)是方向导数?不,题目是6.5.3 (1)求方向导数,(2)求双层位势。答案中6.5.1 (1) 4πR^3 可能对应另一题。这里我们按标准结果:双层位势在球内为4π,球外为0。但注意题目中分母是3/2次方,且分子是 (x-a)dydz 等,这是常见的双层位势表达式。因此最终答案:当 a^2+b^2+c^2 < R^2 时,u=4π;当 a^2+b^2+c^2 > R^2 时,u=0。
公式:u(a,b,c) = ∬_S (R^2 - (ax+by+cz))/(R r^3) dS = -∬_S ∂f/∂n dS
提示:利用高斯公式或散度定理,注意奇点处理。

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