方企勤 第五章 多元函数微分学 第8题

教材习题

📝 题目

例 8 设 $u = f\left( r\right) ,r = \sqrt{{x}^{2} + {y}^{2} + {z}^{2}}$ ,若 $u$ 满足调和方程

$$ {\nabla }^{2}u = \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {z}^{2}} = 0, $$

试求出函数 $u$ .

💡 答案解析

解 因

$$ \frac{\partial u}{\partial x} = {f}^{\prime }\left( r\right) \frac{x}{r},\;\frac{\partial u}{\partial y} = {f}^{\prime }\left( r\right) \frac{y}{r},\;\frac{\partial u}{\partial z} = {f}^{\prime }\left( r\right) \frac{z}{r}, $$

所以

$$ \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} = {f}^{\prime \prime }\left( r\right) \frac{{x}^{2}}{{r}^{2}} + {f}^{\prime }\left( r\right) \frac{r - {x}^{2}/r}{{r}^{2}} $$

$$ = {f}^{\prime \prime }\left( r\right) \frac{{x}^{2}}{{r}^{2}} + {f}^{\prime }\left( r\right) \frac{{y}^{2} + {z}^{2}}{{r}^{3}}. $$

同理可得

$$ \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}} = {f}^{\prime \prime }\left( r\right) \frac{{y}^{2}}{{r}^{2}} + {f}^{\prime }\left( r\right) \frac{{z}^{2} + {x}^{2}}{{r}^{3}}, $$

$$ \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {z}^{2}} = {f}^{\prime \prime }\left( r\right) \frac{{z}^{2}}{{r}^{2}} + {f}^{\prime }\left( r\right) \frac{{x}^{2} + {y}^{2}}{{r}^{3}}. $$

由条件得

$$ \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {z}^{2}} = {f}^{\prime \prime }\left( r\right) + \frac{2}{r}{f}^{\prime }\left( r\right) = 0, $$

$$ {r}^{2}{f}^{\prime \prime }\left( r\right) + {2r}{f}^{\prime }\left( r\right) = 0, $$

于是有 ${\left\lbrack {r}^{2}{f}^{\prime }\left( r\right) \right\rbrack }^{\prime } = 0$ ,推得 ${f}^{\prime }\left( r\right) = \frac{C}{{r}^{2}}$ ,解出 $f\left( r\right) = - \frac{C}{r} + {C}_{1}$ ,其中 $C,{C}_{1}$ 为任意常数.

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:计算一阶偏导数
由于 u = f(r) 且 r = sqrt(x^2+y^2+z^2),利用链式法则,∂u/∂x = f'(r) * ∂r/∂x = f'(r) * x/r。类似地,∂u/∂y = f'(r) * y/r,∂u/∂z = f'(r) * z/r。
公式:∂u/∂x = f'(r) * x/r
提示:注意 r 对 x 的偏导为 x/r。
步骤 2/5
目标:计算二阶偏导数 ∂²u/∂x²
对 ∂u/∂x 再次求导:∂²u/∂x² = ∂/∂x [f'(r) * x/r] = f''(r) * (x/r) * (x/r) + f'(r) * (1/r - x^2/r^3) = f''(r) * x^2/r^2 + f'(r) * (r^2 - x^2)/r^3 = f''(r) * x^2/r^2 + f'(r) * (y^2+z^2)/r^3。
公式:∂²u/∂x² = f''(r) * x^2/r^2 + f'(r) * (y^2+z^2)/r^3
提示:使用商法则或乘积法则,注意 r 是 x 的函数。
步骤 3/5
目标:计算其他二阶偏导数
由对称性,∂²u/∂y² = f''(r) * y^2/r^2 + f'(r) * (z^2+x^2)/r^3,∂²u/∂z² = f''(r) * z^2/r^2 + f'(r) * (x^2+y^2)/r^3。
公式:∂²u/∂y² = f''(r) * y^2/r^2 + f'(r) * (z^2+x^2)/r^3
提示:利用变量轮换对称性。
步骤 4/5
目标:代入调和方程并化简
将三个二阶偏导数相加:∂²u/∂x²+∂²u/∂y²+∂²u/∂z² = f''(r) * (x^2+y^2+z^2)/r^2 + f'(r) * [(y^2+z^2)+(z^2+x^2)+(x^2+y^2)]/r^3 = f''(r) * r^2/r^2 + f'(r) * (2r^2)/r^3 = f''(r) + (2/r) f'(r) = 0。
公式:f''(r) + (2/r) f'(r) = 0
提示:注意 x^2+y^2+z^2 = r^2。
步骤 5/5
目标:求解常微分方程
方程 f''(r) + (2/r) f'(r) = 0 可写为 r^2 f''(r) + 2r f'(r) = 0,即 (r^2 f'(r))' = 0。积分得 r^2 f'(r) = C,故 f'(r) = C/r^2。再积分得 f(r) = -C/r + C1,其中 C, C1 为任意常数。
公式:f(r) = -C/r + C1
提示:注意积分常数。

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