方企勤 第六章 多元函数积分学 第8题

教材习题

📝 题目

证 设 $u\left( {x,y}\right)$ 为 $D$ 上调和函数, $L$ 所围区域记为 $\Omega \subset D$ . 由方向导数公式和格林公式, 即得

$$ {\oint }_{L}\frac{\partial u}{\partial \mathbf{n}}\mathrm{d}s = {\oint }_{L}\left( {\frac{\partial u}{\partial x}\cos \langle n,\mathbf{i}\rangle + \frac{\partial u}{\partial y}\cos \langle n,\mathbf{j}\rangle }\right) \mathrm{d}s $$

$$ = {\iint }_{\Omega }\left( {\frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}}}\right) \mathrm{d}x\mathrm{\;d}y = 0. $$

反之,设 $\displaystyle{\oint }_{L}\frac{\partial u}{\partial \mathbf{n}}\mathrm{d}s = 0}$ ,要证 $\frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}} \equiv 0$ ,我们用反证法. 假设 $\frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}} ≢ 0$ ,则它在某一点 $\left( {{x}_{0},{y}_{0}}\right) \in D$ 不为零. 无妨设它的值 $a$ 为正的. 由连续性, $\exists \delta > 0$ ,使 $\frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}}$ 在 ${\left( x - {x}_{0}\right) }^{2} + {\left( y - {y}_{0}\right) }^{2} \leq {\delta }^{2}$ 上的值大于等于 $a/2$ (必要时可缩小 $\delta$ ,使圆包含在 $D$ 内). 取圆周 $L$ : ${\left( x - {x}_{0}\right) }^{2} + {\left( y - {y}_{0}\right) }^{2} = {\delta }^{2}$ ,则

$$ {\oint }_{L}\frac{\partial u}{\partial \mathbf{n}}\mathrm{d}s = {\iint }_{{\left( x - {x}_{0}\right) }^{2} + {\left( y - {y}_{0}\right) }^{2} \leq {\delta }^{2}}\left( {\frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}}}\right) \mathrm{d}x\mathrm{\;d}y $$

$$ \geq \frac{a}{2} \cdot \pi {\delta }^{2} > 0. $$

与已知条件矛盾. 这矛盾说明 $u\left( {x,y}\right)$ 为调和函数.

💡 答案解析

证 设 $u\left( {x,y}\right)$ 为 $D$ 上调和函数, $L$ 所围区域记为 $\Omega \subset D$ . 由方向导数公式和格林公式, 即得

$$ {\oint }_{L}\frac{\partial u}{\partial \mathbf{n}}\mathrm{d}s = {\oint }_{L}\left( {\frac{\partial u}{\partial x}\cos \langle n,\mathbf{i}\rangle + \frac{\partial u}{\partial y}\cos \langle n,\mathbf{j}\rangle }\right) \mathrm{d}s $$

$$ = {\iint }_{\Omega }\left( {\frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}}}\right) \mathrm{d}x\mathrm{\;d}y = 0. $$

反之,设 $\displaystyle{\oint }_{L}\frac{\partial u}{\partial \mathbf{n}}\mathrm{d}s = 0}$ ,要证 $\frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}} \equiv 0$ ,我们用反证法. 假设 $\frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}} ≢ 0$ ,则它在某一点 $\left( {{x}_{0},{y}_{0}}\right) \in D$ 不为零. 无妨设它的值 $a$ 为正的. 由连续性, $\exists \delta > 0$ ,使 $\frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}}$ 在 ${\left( x - {x}_{0}\right) }^{2} + {\left( y - {y}_{0}\right) }^{2} \leq {\delta }^{2}$ 上的值大于等于 $a/2$ (必要时可缩小 $\delta$ ,使圆包含在 $D$ 内). 取圆周 $L$ : ${\left( x - {x}_{0}\right) }^{2} + {\left( y - {y}_{0}\right) }^{2} = {\delta }^{2}$ ,则

$$ {\oint }_{L}\frac{\partial u}{\partial \mathbf{n}}\mathrm{d}s = {\iint }_{{\left( x - {x}_{0}\right) }^{2} + {\left( y - {y}_{0}\right) }^{2} \leq {\delta }^{2}}\left( {\frac{{\partial }^{2}u}{\partial {x}^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {y}^{2}}}\right) \mathrm{d}x\mathrm{\;d}y $$

$$ \geq \frac{a}{2} \cdot \pi {\delta }^{2} > 0. $$

与已知条件矛盾. 这矛盾说明 $u\left( {x,y}\right)$ 为调和函数.

📋 详细解题步骤

步骤 1/2
目标:证明若u是调和函数,则沿任意闭曲线L的法向导数积分为0
设u在D上调和,L所围区域Ω⊂D。由方向导数公式,∂u/∂n = (∂u/∂x)cos⟨n,i⟩ + (∂u/∂y)cos⟨n,j⟩。代入环路积分,并应用格林公式,将线积分转化为二重积分:∮_L ∂u/∂n ds = ∬_Ω (∂²u/∂x² + ∂²u/∂y²) dxdy。由于u调和,拉普拉斯算子为0,故积分为0。
公式:∂u/∂n = (∂u/∂x)cos⟨n,i⟩ + (∂u/∂y)cos⟨n,j⟩; 格林公式: ∮_L Pdx+Qdy = ∬_Ω (∂Q/∂x - ∂P/∂y) dxdy; 此处P=-∂u/∂y, Q=∂u/∂x
提示:注意格林公式的符号和方向,法向导数积分与格林公式的联系。
步骤 2/2
目标:证明若沿任意闭曲线L的法向导数积分为0,则u是调和函数
用反证法。假设存在点(x0,y0)∈D使得Δu≠0,不妨设Δu=a>0。由连续性,存在δ>0使得在以(x0,y0)为圆心、δ为半径的圆盘内Δu≥a/2。取该圆周为L,则∮_L ∂u/∂n ds = ∬_{圆盘} Δu dxdy ≥ (a/2)·πδ² > 0,与已知条件矛盾。故Δu≡0,u调和。
公式:Δu = ∂²u/∂x² + ∂²u/∂y²; 格林公式将线积分转化为二重积分
提示:反证法关键:利用连续性找到正区域,构造矛盾。

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