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6.2.4 微分表达式中的变量代换与坐标变换

6.2.4.1 一元函数

已知一个函数 y(x) 和一个含自变量、函数 y(x) 及其导数的微分表达式 F :

(6.58a)y=f(x),(6.58b)F=F(x,y,dydx,d2ydx2,d3ydx3,).

若作变量代换, 则可按如下方法计算导数.

情况 1a 用变量 t 代替变量 x ,有

(6.59a)x=φ(t),

(6.59b)dydx=1φ(t)dydt,d2ydx2=1[φ(t)]3{φ(t)d2ydt2φ(t)dydt},d3ydx3=1[φ(t)]5{[φ(t)]2d3ydt33φ(t)φ(t)d2ydt2(6.59c)+[3[φ(t)]2φ(t)φ(t)]dydx},.

情况 1bx,t 之间的关系不是以显形式给出,而是满足隐函数方程

(6.60)Φ(x,t)=0,

则可按同样的公式计算导数 dydx,d2ydx2,d3ydx3 ,不过导数 φ(t),φ(t),φ(t) 必须根据隐函数法则来计算. 在这种情况下可能 (6.58b) 中包含着变量 x ,为了消去 x ,可利用 (6.60).

情况 2 若用函数 u(x) 代替函数 y ,它们间的关系为

(6.61a)y=φ(u),

则可利用下面的公式计算导数:

(6.61b)dydx=φ(u)dudx,d2ydx2=φ(u)d2udx2+φ(u)(dudx)2,(6.61c)d3ydx3=φ(u)d3udx3+3φ(u)dudxd2udx2+φ(u)(dudx)3,.

情况 3 用新的变量 t,u 代替 x,y ,它们间的关系为

(6.62a)x=φ(t,u),y=ψ(t,u),

则可利用下面的公式计算导数:

(6.62b)dydx=ψt+ψududtφt+φududtd2ydx2=ddx(dydx)=ddx[ψt+ψududtφt+φududt]=1φt+φududtddt[ψt+ψududtφt+φududt],

(6.62c)

(6.62d)1Bddt(AB)=1B3(BdAdtAdBdt),

其中

(6.62e)A=ψt+ψududt(6.62f)B=φt+φududt.

类似地,可确定三阶导数 d3ydx3 .

口利用

(6.63a)x=ρcosφ,y=ρsinφ

可把笛卡儿坐标变成极坐标. 由以下公式可计算一阶和二阶导数:

(6.63b)dydx=ρsinφ+ρcosφρcosφρsinφ,(6.63c)d2ydx2=ρ2+2ρ2ρρ(ρcosφρsinφ)3.

6.2.4.2 二元函数

已知一函数 w(x,y) 以及一个含自变量、函数 w(x,y) 及其偏导数的微分表达式 F :

(6.64a)ω=f(x,y),(6.64b)F=F(x,y,ω,ωx,ωy,2ωx2,2ωxy,2ωy2,).

若用新的变量 u,v 代替 x,y

(6.65a)x=φ(u,v),y=ψ(u,v),

则一阶偏导数可由方程组

(6.65b)ωu=ωxφu+ωyψu,ωv=ωxφv+ωyψv

给出,设 A,B,C,D 为新变量 u,v 的新函数,则

(6.65c)ωx=Aωu+Bωv,ωy=Cωu+Dωv.

用同样的公式可计算二阶偏导数,只不过不再用 w ,而是用偏导数 wx,wy ,例如

2ωx2=x(ωx)=x(Aωu+Bωv)=A(A2ωu2+B2ωuv+Auωu+Buωv)(6.66)+B(A2ωuv+B2ωv2+Avωu+Bvωv).

用同样的方法可以计算高阶偏导数.

把拉普拉斯算子 (参见第 934 页 13.2.6.5) 用极坐标 (参见第 255 页 3.5.2.1, 2.) 表示:

(6.67a)Δω=2ωx2+2ωy2,(6.67b)x=ρcosφ,y=ρsinφ.

计算如下:

ωρ=ωxcosφ+ωysinφ,ωφ=ωxρsinφ+ωyρcosφ,ωx=cosφωρsinφρωφ,ωy=sinφωρ+cosφρωφ,2ωx2=cosφρ(cosφωρsinφρωφ)sinφρφ(cosφωρsinφρωφ).

类似地,可以计算 2wy2 ,最终有

(6.67c)Δω=2ωρ2+1ρ22ωφ2+1ρωρ.

注 若含有两个以上变量的函数被代换, 可得到类似的代换公式.

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