東京工業大学 理学院 物理学系 2018年8月実施 午前 [3]

标签：

• TITech
• Polar-Coordinates
• Two-Dimensional-Laplacian-Fundamental-Solution
• Divergence-Theorem

Author

Miyake

Description

题目描述

题面缺失边界： 当前 Description 与全部本地 Git 历史版本均为空。Kai 可完整恢复第 1 至第 5 问的二维向量分析内容，第 6 问为空。

在二维平面令

$$\vec r=(x,y),\qquad r=|\vec r|=\sqrt{x^2+y^2}.$$

1. 对 $r\neq0$，计算

   $$\vec\nabla\ln|\vec r|,$$

   并证明它等于 $\vec r/r^2$。

2. 使用极坐标

   $$x=r\cos\theta,\qquad y=r\sin\theta$$

   推导二维 Laplace 算子

   $$\Delta =\frac{\partial^2}{\partial x^2} +\frac{\partial^2}{\partial y^2}$$

   的极坐标形式。

3. 对 $r\neq0$，证明

   $$\Delta\ln|\vec r|=0.$$

4. 令

   $$S=\{\vec r:|\vec r|\leq a\}, \qquad C=\{\vec r:|\vec r|=a\},$$

   其中 $C$ 取正向。使用二维散度定理/Green 公式计算

   $$I=\iint_S\Delta\ln|\vec r|\,\mathrm dx\,\mathrm dy.$$

5. 结合第 3、4 问，在分布意义下证明二维 Laplace 算子的基本解恒等式

   $$\Delta\ln|\vec r| =2\pi\delta^2(\vec r),$$

   其中 $\delta^2$ 为二维 Dirac delta 函数。

6. 第 6 问： Kai 无内容，无法恢复题意。

考点

• 极坐标微分算子：用链式法则推导 $\partial_x,\partial_y$，再合并得到二维 Laplacian 的径向与角向部分。
• 二维 Laplace 基本解：验证 $\ln r$ 在原点外调和，并识别原点处的分布奇性。
• 散度定理与通量：把圆盘上的 Laplacian 积分化为边界圆周上 $\vec r/r^2$ 的通量，得到与半径无关的 $2\pi$。
• 缺失题面边界：第 6 问没有任何允许来源内容，不补写推测性物理含义。

Kai

(1)

$$\begin{aligned} \frac{\partial}{\partial x} \ln | \vec{r} | &= \frac{1}{2} \frac{\partial}{\partial x} \ln \left( x^2+y^2 \right) = \frac{x}{x^2+y^2} = \frac{x}{r^2} \\ \frac{\partial}{\partial y} \ln | \vec{r} | &= \frac{1}{2} \frac{\partial}{\partial y} \ln \left( x^2+y^2 \right) = \frac{y}{x^2+y^2} = \frac{y}{r^2} \end{aligned}$$

なので、

$$\begin{aligned} \vec{\nabla} \ln | \vec{r} | = \left( \frac{x}{r^2}, \frac{y}{r^2} \right) = \frac{\vec{r}}{r^2} \end{aligned}$$

(2)

$x = r \cos \theta, y = r \sin \theta, r = \sqrt{x^2+y^2}, \tan \theta = y/x$ より、

$$\begin{aligned} \frac{\partial r}{\partial x} &= \frac{x}{r} = \cos \theta \\ \frac{\partial r}{\partial y} &= \frac{y}{r} = \sin \theta \\ \frac{\partial \theta}{\partial x} &= - \frac{y}{x^2} \cos^2 \theta = - \frac{\sin \theta}{r} \\ \frac{\partial \theta}{\partial y} &= \frac{1}{x} \cos^2 \theta = \frac{\cos \theta}{r} \end{aligned}$$

であるから、

$$\begin{aligned} \frac{\partial}{\partial x} &= \frac{\partial r}{\partial x} \frac{\partial}{\partial r} + \frac{\partial \theta}{\partial x} \frac{\partial}{\partial \theta} = \cos \theta \frac{\partial}{\partial r} - \frac{\sin \theta}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} \\ \frac{\partial}{\partial y} &= \frac{\partial r}{\partial y} \frac{\partial}{\partial r} + \frac{\partial \theta}{\partial y} \frac{\partial}{\partial \theta} = \sin \theta \frac{\partial}{\partial r} + \frac{\cos \theta}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} \end{aligned}$$

であり、

$$\begin{aligned} \frac{\partial^2}{\partial x^2} &= \left( \cos \theta \frac{\partial}{\partial r} - \frac{\sin \theta}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} \right) \left( \cos \theta \frac{\partial}{\partial r} - \frac{\sin \theta}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} \right) \\ &= \cos^2 \theta \frac{\partial^2}{\partial r^2} + \frac{\sin \theta \cos \theta}{r^2} \frac{\partial}{\partial \theta} - \frac{\sin \theta \cos \theta}{r} \frac{\partial^2}{\partial r \partial \theta} + \frac{\sin^2 \theta}{r} \frac{\partial}{\partial r} - \frac{\sin \theta \cos \theta}{r} \frac{\partial^2}{\partial \theta \partial r} \\ &\ \ \ \ + \frac{\sin \theta \cos \theta}{r^2} \frac{\partial}{\partial \theta} + \frac{\sin^2 \theta}{r^2} \frac{\partial^2}{\partial \theta^2} \\ &= \cos^2 \theta \frac{\partial^2}{\partial r^2} +2 \frac{\sin \theta \cos \theta}{r^2} \frac{\partial}{\partial \theta} -2 \frac{\sin \theta \cos \theta}{r} \frac{\partial^2}{\partial r \partial \theta} + \frac{\sin^2 \theta}{r} \frac{\partial}{\partial r} + \frac{\sin^2 \theta}{r^2} \frac{\partial^2}{\partial \theta^2} \\ \frac{\partial^2}{\partial y^2} &= \left( \sin \theta \frac{\partial}{\partial r} + \frac{\cos \theta}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} \right) \left( \sin \theta \frac{\partial}{\partial r} + \frac{\cos \theta}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} \right) \\ &= \sin^2 \theta \frac{\partial^2}{\partial r^2} - \frac{\sin \theta \cos \theta}{r^2} \frac{\partial}{\partial \theta} + \frac{\sin \theta \cos \theta}{r} \frac{\partial^2}{\partial r \partial \theta} + \frac{\cos^2 \theta}{r} \frac{\partial}{\partial r} + \frac{\sin \theta \cos \theta}{r} \frac{\partial^2}{\partial \theta \partial r} \\ &\ \ \ \ - \frac{\sin \theta \cos \theta}{r^2} \frac{\partial}{\partial \theta} + \frac{\cos^2 \theta}{r^2} \frac{\partial^2}{\partial \theta^2} \\ &= \sin^2 \theta \frac{\partial^2}{\partial r^2} -2 \frac{\sin \theta \cos \theta}{r^2} \frac{\partial}{\partial \theta} +2 \frac{\sin \theta \cos \theta}{r} \frac{\partial^2}{\partial r \partial \theta} + \frac{\cos^2 \theta}{r} \frac{\partial}{\partial r} + \frac{\cos^2 \theta}{r^2} \frac{\partial^2}{\partial \theta^2} \end{aligned}$$

したがって、

$$\begin{aligned} \Delta &= \frac{\partial^2}{\partial x^2} + \frac{\partial^2}{\partial y^2} \\ &= \frac{\partial^2}{\partial r^2} + \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} + \frac{1}{r^2} \frac{\partial^2}{\partial \theta^2} \\ &= \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} r \frac{\partial}{\partial r} + \frac{1}{r^2} \frac{\partial^2}{\partial \theta^2} \end{aligned}$$

を得る。

(3)

$| \vec{r} | \neq 0$ のとき、(2) で得た式をつかって、

$$\begin{aligned} \Delta \ln | \vec{r} | = \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} r \frac{\partial}{\partial r} \ln r = \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} r \frac{1}{r} = 0 \end{aligned}$$

を得る。

(4)

領域 $| \vec{r} | \leq a$ を $S$ , 閉曲線 $| \vec{r} | = a$ を $C$ で表して、 次のように計算できる：

$$\begin{aligned} I &= \iint_S \Delta \ln | \vec{r} | dx dy \\ &= \iint_S \vec{\nabla} \cdot \frac{\vec{r}}{r^2} \ dx dy \\ &= \iint_S \left( \frac{\partial}{\partial x} \frac{x}{r^2} + \frac{\partial}{\partial y} \frac{y}{r^2} \right) dx dy \\ &= \oint_C \left( - \frac{y}{r^2} dx + \frac{x}{r^2} dy \right) \\ &= \int_0^{2 \pi} \left( - \frac{a \sin \theta}{a^2} \cdot (-a \sin \theta) + \frac{a \cos \theta}{a^2} \cdot (a \cos \theta) \right) d \theta \\ &= \int_0^{2 \pi} d \theta \\ &= 2 \pi \end{aligned}$$

(5)

(3), (4) より、

$$\begin{aligned} \Delta \ln | \vec{r} | = 2 \pi \delta^2 ( \vec{r} ) \end{aligned}$$

がわかる。 ただし、 $\delta^2 ( \cdot )$ は、 2次元のディラックのデルタ関数である。

(6)