数分习题课笔记(5)
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曲面 上一点 (x_0,y_0,z_0) 满足 \nabla F(x_0,y_0,z_0)\ne0,那么 (x_0,y_0,z_0) 处的法向量为 \nabla F(x_0,y_0,z_0)。
2
求曲面 x^2+y^2+z^2=x 的切平面,使其垂直于 x-y-z-=2 和 x-y-z/2=2。
trivial
3
证明:F(x-az,y-bz)=0 所有切平面都与一直线平行。
4
z=z(x,y) 是方程 x/z=\varphi(y/z) 确定的隐函数,\varphi\in C^2 且 x-y\varphi’(y/z)\ne0,求证:z_{xx}z_{yy}=z_{xy}^2。
题目相当于证明 \begin{vmatrix}z_{xx} & z_{xy}\z_{xy} & z_{yy}\end{vmatrix}=0,这等价于找出一个非零向量使得其左乘这个矩阵后得到零。
观察到,z(tx,ty)=tz(x,y)(因为将 x,y,z 同时乘一个数等式还是成立的),那么 z 必然是一个一次齐次,从而 xz_x+yz_y=z(上次结论),从而得到 xz_{xx}+yz_{xy}=0,xz_{xy}+yz_{yy}=0。
练习:y+z=e^{-(x+y+z)},求 z_x,z_y,z_{xx},z_{xy},z_{yy}
5
设 \begin{cases}x=u\cos(v/u),\y=\sin(v/u)\end{cases},求反函数组的偏导数 u_x,u_y,v_x,v_y。
直接把方程组对 x 求偏导,然后根据反函数定理成立的条件(\det J\dfrac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}\ne0),得到 \cos(v/u)\ne0,从而后续可以解出。
\begin{cases} u_x=\frac1{\cos(v/u)}\ v_x=\frac v{u\cos(v/u)}\ u_y=\frac{u\sin(v/u)}{\cos^2(v/u)}\ v_y=\frac{u\cos(v/u)+v\sin(v/u)}{\cos^2(v/u)} \end{cases}
6
通过代换 x=uv,y=(u^2-v^2)/2,变换方程:
\left(\frac{\partial z}{\partial x}\right)^2+\left(\frac{\partial z}{\partial y}\right)^2=\frac1{\sqrt{x^2+y^2}}
7
将 u(x,y,z) 的方程
x\frac{\partial u}{\partial x}+y\frac{\partial u}{\partial y}+z\frac{\partial u}{\partial z}=u+\frac{xy}z
变换为 w(\xi,\eta,\zeta) 的方程,其中 w=u/z,\xi=x/z,\eta=y/z,\zeta=z。
1/z\frac{\partial u}{\partial x}=\frac{\partial w}{\partial x}=\frac{\partial w}{\partial \xi}\frac{\partial\xi}{\partial x}=1/2\frac{\partial w}{\partial\xi}\implies\frac{\partial w}{\partial\xi}=\frac{\partial u}{\partial x}
同理有
\frac{\partial w}{\partial\eta}=\frac{\partial u}{\partial y}
其次
\frac{zu_z-u}{z^2}=\frac{\partial w}{\partial z}=\frac{\partial w}{\partial\xi}(-\frac x{z^2})+\frac{\partial w}{\partial\eta}(-\frac y{z^2})+\frac{\partial w}{\partial\zeta}
将上面两个式子代入得
\frac{\partial w}{\partial\zeta}=\frac1{z^2}\left(x\frac{\partial u}{\partial x}+y\frac{\partial u}{\partial y}+z\frac{\partial u}{\partial z}-u\right)=\frac{xy}{z^3}=\frac{\xi\eta}\zeta
这样的变换带来的是:我们利用 \partial w/\partial\zeta,积分得到
\begin{aligned} w&=\xi\eta\ln|\zeta|+f(\xi,\eta)\ u&=zf(x/z,y/z)+\frac{xy}z\ln|z| \end{aligned}
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设 u(x,y) 是由方程组 u=f(x,y,z,t),g(y,z,t)=0,h(z,t)=0 确定的函数,其中 f,g,h\in C^1 且 |\dfrac{\partial(g,h)}{\partial(z,t)}|\ne0,求 \partial u/\partial y。
谁是谁的函数?为了求得 u 关于 x,y 的函数,需要求得 z,t 关于 y 的隐函数。
\frac{\partial u}{\partial y}=\frac{\partial f}{\partial y}+\frac{\partial f}{\partial z}z_y+\frac{\partial f}{\partial t}t_y
\begin{cases} g_y+g_zz_y+g_yt_y&=0\ h_zz_y+h_tt_y&=0 \end{cases}\implies\begin{cases} z_y=-\frac{g_yh_t}{g_zh_t-g_th_z}\ t_y=\frac{g_yh_z}{g_zh_t-g_th_z} \end{cases}
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