方企勤 第五章 多元函数微分学 第5题

教材习题

📝 题目

例 5 设 $u = u\left( {x,y}\right)$ 在 ${x}^{2} + {y}^{2} > 0$ 上可微,令 $x = r\cos \theta ,y =$ $r\sin \theta$ . 在(x, y)点作单位向量 ${\mathbf{e}}_{r},{\mathbf{e}}_{\theta }$ . 向量 ${\mathbf{e}}_{r}$ 表示 $\theta$ 固定沿 $r$ 增加的方向, ${\mathbf{e}}_{\theta }$ 表示 $r$ 固定沿 $\theta$ 增加的方向. 证明:

$$ \frac{\partial u}{\partial {\mathbf{e}}_{r}} = \frac{\partial u}{\partial r},\;\frac{\partial u}{\partial {\mathbf{e}}_{\theta }} = \frac{1}{r}\frac{\partial u}{\partial \theta }. $$

💡 答案解析

证 因

$$ {\mathbf{e}}_{r} = \left( {\cos \theta ,\sin \theta }\right) , $$

$$ {\mathbf{e}}_{\theta } = \left( {\cos \left( {\theta + \pi /2}\right) ,\sin \left( {\theta + \pi /2}\right) }\right) = \left( {-\sin \theta ,\cos \theta }\right) , $$

所以

$$ \frac{\partial u}{\partial {\mathbf{e}}_{r}} = \frac{\partial u}{\partial x}\cos \theta + \frac{\partial u}{\partial y}\sin \theta ,\;\frac{\partial u}{\partial {\mathbf{e}}_{\theta }} = \frac{\partial u}{\partial x}\left( {-\sin \theta }\right) + \frac{\partial u}{\partial y}\cos \theta . $$

而由复合函数求偏导数得

$$ \frac{\partial u}{\partial r} = \frac{\partial u}{\partial x}\cos \theta + \frac{\partial u}{\partial y}\sin \theta ,\;\frac{\partial u}{\partial \theta } = \frac{\partial u}{\partial x}\left( {-r\sin \theta }\right) + \frac{\partial u}{\partial y}r\cos \theta , $$

$$ \frac{\partial u}{\partial {e}_{r}} = \frac{\partial u}{\partial r},\;\frac{\partial u}{\partial {e}_{\theta }} = \frac{1}{r}\frac{\partial u}{\partial \theta }. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:写出单位向量 e_r 和 e_θ 的表达式
根据极坐标定义,e_r = (cosθ, sinθ),e_θ = (cos(θ+π/2), sin(θ+π/2)) = (-sinθ, cosθ)。
公式:e_r = (cosθ, sinθ), e_θ = (-sinθ, cosθ)
提示:注意 e_θ 是 e_r 逆时针旋转90度得到。
步骤 2/4
目标:计算方向导数 ∂u/∂e_r 和 ∂u/∂e_θ
方向导数公式:∂u/∂e = ∇u·e。因此 ∂u/∂e_r = u_x cosθ + u_y sinθ,∂u/∂e_θ = u_x (-sinθ) + u_y cosθ。
公式:∂u/∂e_r = u_x cosθ + u_y sinθ, ∂u/∂e_θ = -u_x sinθ + u_y cosθ
提示:方向导数是梯度与方向向量的点积。
步骤 3/4
目标:计算偏导数 ∂u/∂r 和 ∂u/∂θ
由链式法则:u = u(x,y), x = r cosθ, y = r sinθ,则 ∂u/∂r = u_x cosθ + u_y sinθ,∂u/∂θ = u_x (-r sinθ) + u_y (r cosθ)。
公式:∂u/∂r = u_x cosθ + u_y sinθ, ∂u/∂θ = -r u_x sinθ + r u_y cosθ
提示:注意 ∂x/∂r = cosθ, ∂y/∂r = sinθ, ∂x/∂θ = -r sinθ, ∂y/∂θ = r cosθ。
步骤 4/4
目标:比较方向导数和偏导数,得出结论
比较得 ∂u/∂e_r = ∂u/∂r,∂u/∂e_θ = (1/r) ∂u/∂θ。
公式:∂u/∂e_r = ∂u/∂r, ∂u/∂e_θ = (1/r) ∂u/∂θ
提示:注意 ∂u/∂e_θ 与 ∂u/∂θ 相差因子 1/r。

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