方企勤 第五章 多元函数微分学 第5.2题

教材习题

📝 题目

5.2.26 设函数 $f\left( {x,y}\right)$ 满足 $\frac{{\partial }^{2}f}{\partial {x}^{2}} = y,\frac{{\partial }^{2}f}{\partial x\partial y} = x + y,\frac{{\partial }^{2}f}{\partial {y}^{2}} = x$ ,试求出函数 $f\left( {x,y}\right)$ .

💡 答案解析

### 5.2.22

题目:证明函数 $$ u = \frac{1}{2a\sqrt{\pi t}} e^{-\frac{(x-b)^2}{4a^2 t}} \quad (t>0) $$ 满足热传导方程 $$ \frac{\partial u}{\partial t} = a^2 \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}. $$

**证明步骤:**

1. **先对 $x$ 求一阶偏导** 令 $\displaystyle z = \frac{(x-b)^2}{4a^2 t}$,则 $\displaystyle u = \frac{1}{2a\sqrt{\pi t}} e^{-z}$。 $$ \frac{\partial u}{\partial x} = \frac{1}{2a\sqrt{\pi t}} e^{-z} \cdot \left(-\frac{2(x-b)}{4a^2 t}\right) = -\frac{x-b}{2a^3 \sqrt{\pi t^{3/2}}} e^{-z}. $$

2. **再对 $x$ 求二阶偏导** 使用乘积法则: $$ \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} = -\frac{1}{2a^3 \sqrt{\pi t^{3/2}}} \left[ e^{-z} + (x-b) e^{-z} \cdot \left(-\frac{2(x-b)}{4a^2 t}\right) \right]. $$ 化简括号内: 第一项:$e^{-z}$, 第二项:$\displaystyle (x-b)\cdot \left(-\frac{x-b}{2a^2 t}\right) e^{-z} = -\frac{(x-b)^2}{2a^2 t} e^{-z}$。 所以: $$ \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} = -\frac{e^{-z}}{2a^3\sqrt{\pi t^{3/2}}} \left[ 1 - \frac{(x-b)^2}{2a^2 t} \right]. $$

3. **对 $t$ 求偏导** $u = C t^{-1/2} e^{-(x-b)^2/(4a^2 t)}$,其中 $\displaystyle C = \frac{1}{2a\sqrt{\pi}}$。 对 $t$ 求导: $$ \frac{\partial u}{\partial t} = C\left[ -\frac12 t^{-3/2} e^{-z} + t^{-1/2} e^{-z} \cdot \frac{(x-b)^2}{4a^2 t^2} \right] = \frac{C e^{-z}}{t^{3/2}} \left[ -\frac12 + \frac{(x-b)^2}{4a^2 t} \right]. $$

4. **比较两边** 右边 $\displaystyle a^2 \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}$: $$ a^2 \cdot \left( -\frac{e^{-z}}{2a^3\sqrt{\pi t^{3/2}}} \left[1 - \frac{(x-b)^2}{2a^2 t}\right] \right) = -\frac{e^{-z}}{2a\sqrt{\pi} t^{3/2}} \left[1 - \frac{(x-b)^2}{2a^2 t}\right]. $$ 而左边 $\displaystyle \frac{\partial u}{\partial t}$ 为: $$ \frac{1}{2a\sqrt{\pi}} \frac{e^{-z}}{t^{3/2}} \left[ -\frac12 + \frac{(x-b)^2}{4a^2 t} \right] = \frac{e^{-z}}{2a\sqrt{\pi} t^{3/2}} \left( -\frac12 + \frac{(x-b)^2}{4a^2 t} \right). $$ 注意: $$ -\frac12 + \frac{(x-b)^2}{4a^2 t} = -\left(1 - \frac{(x-b)^2}{2a^2 t}\right) \cdot \frac12? $$ 实际上: $$ -\frac12 + \frac{(x-b)^2}{4a^2 t} = -\frac12 \left(1 - \frac{(x-b)^2}{2a^2 t}\right). $$ 因此左右两边相等。证毕。

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### 5.2.23

已知 $x=f(u,v), y=g(u,v)$ 满足柯西-黎曼方程: $$ \frac{\partial f}{\partial u} = \frac{\partial g}{\partial v}, \quad \frac{\partial f}{\partial v} = -\frac{\partial g}{\partial u}. $$ 且 $w(x,y)$ 满足 Laplace 方程 $\displaystyle \frac{\partial^2 w}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 w}{\partial y^2}=0$。

**(1)** 证明 $w(f(u,v), g(u,v))$ 满足 $\displaystyle \frac{\partial^2 w}{\partial u^2} + \frac{\partial^2 w}{\partial v^2}=0$。

**证明:**

由链式法则: $$ \frac{\partial w}{\partial u} = w_x f_u + w_y g_u, $$ $$ \frac{\partial w}{\partial v} = w_x f_v + w_y g_v. $$

再求二阶: $$ \frac{\partial^2 w}{\partial u^2} = (w_{xx} f_u + w_{xy} g_u) f_u + w_x f_{uu} + (w_{yx} f_u + w_{yy} g_u) g_u + w_y g_{uu}. $$ 由于 $w_{xy}=w_{yx}$,整理得: $$ \frac{\partial^2 w}{\partial u^2} = w_{xx} f_u^2 + 2 w_{xy} f_u g_u + w_{yy} g_u^2 + w_x f_{uu} + w_y g_{uu}. $$

同理: $$ \frac{\partial^2 w}{\partial v^2} = w_{xx} f_v^2 + 2 w_{xy} f_v g_v + w_{yy} g_v^2 + w_x f_{vv} + w_y g_{vv}. $$

相加: $$ \frac{\partial^2 w}{\partial u^2} + \frac{\partial^2 w}{\partial v^2} = w_{xx}(f_u^2+f_v^2) + 2 w_{xy}(f_u g_u + f_v g_v) + w_{yy}(g_u^2+g_v^2) + w_x(f_{uu}+f_{vv}) + w_y(g_{uu}+g_{vv}). $$

由柯西-黎曼条件可得: - $f_u^2+f_v^2 = g_u^2+g_v^2$,且 $f_u g_u + f_v g_v = 0$(因为 $f_u g_u + f_v g_v = f_u g_u + (-g_u)(-f_u) = 0$? 检查:$f_v = -g_u$,$g_v = f_u$,所以 $f_u g_u + f_v g_v = f_u g_u + (-g_u)(f_u)=0$)。 - 另外,由柯西-黎曼条件可推出 $f_{uu}+f_{vv}=0$,$g_{uu}+g_{vv}=0$(因为 $f$ 和 $g$ 是调和函数)。

因此上式化简为: $$ \frac{\partial^2 w}{\partial u^2} + \frac{\partial^2 w}{\partial v^2} = (w_{xx}+w_{yy})(f_u^2+f_v^2) = 0. $$ 得证。

**(2)** 证明 $\displaystyle \frac{\partial^2 (fg)}{\partial u^2} + \frac{\partial^2 (fg)}{\partial v^2} = 0$。

**证明:** 令 $w(x,y)=xy$,显然 $w_{xx}+w_{yy}=0$。由(1)结论,$w(f,g)=fg$ 满足 Laplace 方程在 $(u,v)$ 下形式,即得证。

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### 5.2.24

方程: $$ \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}. $$ 作变量替换 $\xi = x+t$,$\eta = x-t$。

**步骤:**

1. 计算一阶偏导: $$ \frac{\partial u}{\partial t} = u_\xi \cdot 1 + u_\eta \cdot (-1) = u_\xi - u_\eta, $$ $$ \frac{\partial u}{\partial x} = u_\xi \cdot 1 + u_\eta \cdot 1 = u_\xi + u_\eta. $$

2. 二阶偏导: $$ \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = \frac{\partial}{\partial t}(u_\xi - u_\eta) = (u_{\xi\xi} - u_{\xi\eta}) - (u_{\eta\xi} - u_{\eta\eta}) = u_{\xi\xi} - 2u_{\xi\eta} + u_{\eta\eta}. $$ $$ \frac{\partial^2 u}{\partial x^

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:由二阶偏导条件积分求 f(x,y)
已知 ∂²f/∂x² = y,对 x 积分得 ∂f/∂x = xy + φ(y),其中 φ(y) 是 y 的任意函数。
公式:∂f/∂x = xy + φ(y)
提示:积分时注意将 y 视为常数,积分常数是 y 的函数。
步骤 2/6
目标:利用 ∂²f/∂x∂y 条件确定 φ(y)
由 ∂²f/∂x∂y = x + y,对 ∂f/∂x 求 y 偏导得 ∂/∂y (xy + φ(y)) = x + φ'(y)。令其等于 x + y,得 φ'(y) = y,积分得 φ(y) = y²/2 + C₁。
公式:φ'(y) = y ⇒ φ(y) = y²/2 + C₁
提示:注意 φ'(y) 是 φ(y) 对 y 的导数。
步骤 3/6
目标:代入 φ(y) 得到 ∂f/∂x
将 φ(y) = y²/2 + C₁ 代入 ∂f/∂x = xy + y²/2 + C₁。
公式:∂f/∂x = xy + y²/2 + C₁
步骤 4/6
目标:对 x 积分求 f(x,y)
对 ∂f/∂x 关于 x 积分得 f(x,y) = ∫(xy + y²/2 + C₁) dx = x²y/2 + xy²/2 + C₁x + ψ(y),其中 ψ(y) 是 y 的任意函数。
公式:f(x,y) = x²y/2 + xy²/2 + C₁x + ψ(y)
提示:积分常数是 y 的函数。
步骤 5/6
目标:利用 ∂²f/∂y² 条件确定 ψ(y)
由 ∂²f/∂y² = x,先求 ∂f/∂y = x²/2 + xy + ψ'(y),再求二阶偏导 ∂²f/∂y² = x + ψ''(y)。令其等于 x,得 ψ''(y) = 0,积分得 ψ'(y) = C₂,再积分得 ψ(y) = C₂y + C₃。
公式:ψ''(y) = 0 ⇒ ψ(y) = C₂y + C₃
提示:注意两次积分产生两个常数。
步骤 6/6
目标:写出最终函数表达式
代入 ψ(y) = C₂y + C₃,得 f(x,y) = x²y/2 + xy²/2 + C₁x + C₂y + C₃,其中 C₁, C₂, C₃ 为任意常数。
公式:f(x,y) = x²y/2 + xy²/2 + C₁x + C₂y + C₃
提示:答案包含三个任意常数,符合二阶偏微分方程的通解形式。

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