方企勤 第七章 典型综合题分析 第21题

教材习题

📝 题目

例 21 设 $F\left( {x,y,z}\right)$ 在 ${\mathbf{R}}^{3}$ 中有连续的一阶偏导数,并满足

$$ y\frac{\partial F}{\partial x} - x\frac{\partial F}{\partial y} + \frac{\partial F}{\partial z} \geq \alpha > 0\;\left( {\alpha \text{ 为常数 }}\right) . $$

求证: 当点(x, y, z)沿着曲线 $\Gamma : x = - \cos t,y = \sin t,z = t\left( {t \geq 0}\right)$ 趋向无穷时, $F\left( {x,y,z}\right) \rightarrow + \infty$ .

💡 答案解析

证 考虑一元函数 $f\left( t\right) \overset{\text{ 定义 }}{ = }F\left( {-\cos t,\sin t,t}\right)$ ,则

$$ \frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{\;d}t} = \frac{\partial F}{\partial x}\sin t + \frac{\partial F}{\partial y}\cos t + \frac{\partial F}{\partial z}. $$

当 $\left( {x,y,z}\right) \in \Gamma$ 时,有 $\frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{\;d}t} = y\frac{\partial F}{\partial x} - x\frac{\partial F}{\partial y} + \frac{\partial F}{\partial z} \geq \alpha > 0$ . 因此,根据微分中值定理,有 $F\left( {x,y,z}\right) - F\left( {-1,0,0}\right) = f\left( t\right) - f\left( 0\right) = {f}^{\prime }\left( \xi \right) t \geq {\alpha t}$ ,即得 $F\left( {x,y,z}\right) \geq F\left( {-1,0,0}\right) + {\alpha t}$ . 于是 $F\left( {x,y,z}\right) \rightarrow + \infty \left( {t \rightarrow + \infty }\right)$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:构造一元函数并求导
定义一元函数 f(t) = F(-cos t, sin t, t),然后对其求导,得到 f'(t) = ∂F/∂x * sin t + ∂F/∂y * cos t + ∂F/∂z。
公式:f(t) = F(-cos t, sin t, t), f'(t) = ∂F/∂x sin t + ∂F/∂y cos t + ∂F/∂z
提示:注意链式法则的应用,对复合函数求导时不要遗漏项。
步骤 2/4
目标:利用已知条件得到导数下界
在曲线Γ上,有 x = -cos t, y = sin t, z = t,代入 f'(t) 得 f'(t) = y ∂F/∂x - x ∂F/∂y + ∂F/∂z。由题设,该表达式 ≥ α > 0,因此 f'(t) ≥ α。
公式:f'(t) = y ∂F/∂x - x ∂F/∂y + ∂F/∂z ≥ α > 0
提示:注意将 x, y, z 用 t 表示,并正确代入。
步骤 3/4
目标:应用微分中值定理得到不等式
对 f(t) 在 [0, t] 上应用拉格朗日中值定理,存在 ξ ∈ (0, t) 使得 f(t) - f(0) = f'(ξ) t。由于 f'(ξ) ≥ α,所以 f(t) - f(0) ≥ α t。
公式:f(t) - f(0) = f'(ξ) t ≥ α t
提示:中值定理要求函数在区间上连续、可导,这里 f(t) 由 F 的可微性保证。
步骤 4/4
目标:得到 F 的下界并推出结论
由 f(t) = F(-cos t, sin t, t) 和 f(0) = F(-1, 0, 0),得 F(-cos t, sin t, t) ≥ F(-1, 0, 0) + α t。当 t → +∞ 时,α t → +∞,因此 F → +∞。
公式:F(x,y,z) ≥ F(-1,0,0) + α t
提示:注意 t 是曲线参数,t → +∞ 对应点沿曲线趋向无穷。

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