문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

다변수 연쇄법칙

변수가 여러 단계로 연결될 때 나무 그림으로 편도함수를 구한다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

1문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 2.4절 · 26번대학 수준우리말 번역

파동 방정식

∂2u∂x2−1c2 ∂2u∂t2=0\frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\,\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0

은 파동과 같은 현상을 다루는 많은 모형에서 나타난다. u(x,t)u(x,t) 와 v(ξ,η)v(\xi,\eta) 가 다음의 변수 변환으로 서로 연결되어 있다고 하자.

u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))ξ(x,t)=x−ctη(x,t)=x+ct\begin{aligned} u(x,t)&=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\\ \xi(x,t)&=x-ct\\ \eta(x,t)&=x+ct \end{aligned}

(a)  ∂2u∂x2−1c2∂2u∂t2=0 \ \frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0\ 일 필요충분조건이  ∂2v∂ξ∂η=0\ \frac{\partial^2 v}{\partial\xi\partial\eta}=0 임을 보이세요. (b)  ∂2u∂x2−1c2∂2u∂t2=0 \ \frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0\ 일 필요충분조건이 어떤 함수 FF 와 GG 에 대해  u(x,t)=F(x−ct)+G(x+ct) \ u(x,t)=F(x-ct)+G(x+ct)\ 임을 보이세요. (c)  F(x−ct)+G(x+ct) \ F(x-ct)+G(x+ct)\ 를 진행파의 관점에서 해석하세요. u(x,t)u(x,t) 를 xx 축을 따라 진행하는 파동의, 위치 xx 와 시각 tt 에서의 높이라고 생각하세요.

참고: 낯선 기호 ξ\xi 와 η\eta 에 당황하지 마세요. 이들은 그리스 문자 중 해롭지 않은 두 글자일 뿐이며, 각각 “크사이”와 “에타”라고 읽습니다.

영어 원문 보기

The wave equation

∂2u∂x2−1c2 ∂2u∂t2=0\frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\,\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0

arises in many models involving wave-like phenomena. Let u(x,t)u(x,t) and v(ξ,η)v(\xi,\eta) be related by the change of variables

u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))ξ(x,t)=x−ctη(x,t)=x+ct\begin{aligned} u(x,t)&=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\\ \xi(x,t)&=x-ct\\ \eta(x,t)&=x+ct \end{aligned}

(a) Show that  ∂2u∂x2−1c2∂2u∂t2=0 \ \frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0\ if and only if  ∂2v∂ξ∂η=0\ \frac{\partial^2 v}{\partial\xi\partial\eta}=0. (b) Show that  ∂2u∂x2−1c2∂2u∂t2=0 \ \frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0\ if and only if  u(x,t)=F(x−ct)+G(x+ct) \ u(x,t)=F(x-ct)+G(x+ct)\ for some functions FF and GG. (c) Interpret  F(x−ct)+G(x+ct) \ F(x-ct)+G(x+ct)\ in terms of travelling waves. Think of u(x,t)u(x,t) as the height, at position xx and time tt, of a wave that is travelling along the xx-axis.

Remark: Don't be thrown by the strange symbols ξ\xi and η\eta. They are just two harmless letters from the Greek alphabet, called “xi” and “eta” respectively.

정답·풀이 보기

u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))u(x,t)=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) 임을 기억하자. 연쇄 법칙에 의해

∂u∂x(x,t)=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂u∂t(x,t)=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t=−c∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))+c∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial u}{\partial x}(x,t) &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x} \\ &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \\ \frac{\partial u}{\partial t}(x,t) &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t} \\ &= -c\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +c\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

연쇄 법칙을 다시 적용하면

∂2u∂x2(x,t)=∂∂x[∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))]+∂∂x[∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))]=∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂2v ∂η∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x+∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x=∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))+2∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) &= \frac{\partial }{\partial x} \Big[\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] + \frac{\partial }{\partial x} \Big[\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big]\\ &= \frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial^2 v\,}{\partial\eta\partial \xi} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x}\\& + \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial \eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial^2 v}{\partial \eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x}\\ &=\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +2\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial \eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +\frac{\partial^2 v}{\partial \eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

이고

∂2u∂t2(x,t)=−c∂∂t[∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))]+c∂∂t[∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))]=−c[∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂2v ∂η∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t]+c[∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t]=c2∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))−2c2∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))+c2∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t) &=-c \frac{\partial }{\partial t} \Big[\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] +c \frac{\partial }{\partial t} \Big[ \frac{\partial v}{\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] \\ &=-c \Big[\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial^2 v\,}{\partial\eta\partial \xi} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t}\Big] \\& +c \Big[\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial^2 v}{\partial\eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t}\Big]\\ &=c^2\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) -2c^2\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +c^2\frac{\partial^2 v}{\partial\eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

이므로

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=4∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t) =4\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)

이다. 따라서

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=0 모든 (x,t)  ⟺  4∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))=0 모든 (x,t)  ⟺  ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=0 모든 (ξ,η)\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t)=0 \text{ 모든 }(x,t) &\iff 4\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)=0\text{ 모든 }(x,t)\\ &\iff \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi,\eta\big)=0\text{ 모든 }(\xi,\eta) \end{aligned}

(b) 이제 ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=∂∂ξ[∂v∂η]=0\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta}\big(\xi,\eta\big) =\frac{\partial}{\partial\xi} \Big[\frac{\partial v}{\partial\eta}\Big]=0 이다. 잠시 ∂v∂η=w\frac{\partial v}{\partial \eta}=w 라고 놓자. 등식 ∂w∂ξ(ξ,η)=0\frac{\partial w}{\partial \xi}(\xi,\eta)=0 은, 각각의 고정된 η\eta 에 대해 w(ξ,η)w(\xi,\eta) 가 상수임을 뜻한다. 이 상수의 값은 η\eta 에 따라 달라질 수 있다. 즉 어떤 함수 HH 에 대해 ∂v∂η(ξ,η)=w(ξ,η)=H(η)\frac{\partial v}{\partial \eta}(\xi,\eta)=w(\xi,\eta) =H(\eta) 이다. (확인해 보면 ∂∂ξH(η)=0\frac{\partial }{\partial \xi}H(\eta)=0 이다.) 따라서 vv 의 η\eta 에 대한 도함수는 (ξ\xi 를 상수로 보면) H(η)H(\eta) 이다.

G(η)G(\eta) 를 도함수가 H(η)H(\eta) 인 임의의 함수 (즉 H(η)H(\eta) 의 부정적분)라고 하자. 그러면 ∂∂η[v(ξ,η)−G(η)]=H(η)−H(η)=0\frac{\partial }{\partial \eta}\big[v(\xi,\eta)-G(\eta)]=H(\eta)-H(\eta)=0 이다. 이것은 각각의 고정된 ξ\xi 에 대해 v(ξ,η)−G(ξ,η)v(\xi,\eta)-G(\xi,\eta) 가 η\eta 와 무관한 상수일 때, 그리고 그때에 한해 성립한다. 즉 다음과 필요충분조건이다.

v(ξ,η)−G(η)=F(ξ)v(\xi,\eta)-G(\eta)=F(\xi)

(어떤 함수 FF 에 대해). 따라서

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=0  ⟺  ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=0 모든 (ξ,η)  ⟺  v(ξ,η)=F(ξ)+G(η) 어떤 함수 F 와 G 에 대해  ⟺  u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))=F(ξ(x,t))+G(η(x,t))  ⟺  u(x,t) =F(x−ct)+G(x+ct)\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t)=0 &\iff \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi,\eta\big)=0\text{ 모든 }(\xi,\eta)\\ &\iff v(\xi,\eta)=F(\xi)+G(\eta)\text{ 어떤 함수 $F$ 와 $G$ 에 대해}\\ &\iff u(x,t)=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) =F\big(\xi(x,t)\big)+G\big(\eta(x,t)\big)\\ &\phantom{\iff u(x,t)\,}=F(x-ct)+G(x+ct) \end{aligned}

(c) F(x−ct)F(x-ct) 의 해석을 제시하겠다. G(x+ct)G(x+ct) 의 경우도 비슷하다. u(x,t)=F(x−ct)u(x,t)=F(x-ct) 라고 하자. u(x,t)u(x,t) 를 위치 xx, 시각 tt 에서의 물의 높이라고 생각하자. 임의의 수 zz 를 잡자. 시공간에서 x−ct=zx-ct=z 를 만족하는 모든 점 (x,t)(x,t) 는 uu 의 값이 F(z)F(z) 로 모두 같다. 그러므로 위치가 x=z+ctx=z+ct 가 되도록 움직이면 (즉 속력 cc 로 오른쪽으로 움직이면) 항상 같은 파동의 높이를 보게 된다. 따라서 F(x−ct)F(x-ct) 는 속력 cc 로 오른쪽으로 진행하는 파동을 나타낸다.

그림

마찬가지로 G(x+ct)G(x+ct) 는 속력 cc 로 왼쪽으로 진행하는 파동을 나타낸다.

원본 교재 풀이(영어)

Recall that u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))u(x,t)=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big). By the chain rule

∂u∂x(x,t)=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂u∂t(x,t)=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t=−c∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))+c∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial u}{\partial x}(x,t) &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x} \\ &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \\ \frac{\partial u}{\partial t}(x,t) &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t} \\ &= -c\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +c\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

Again by the chain rule

∂2u∂x2(x,t)=∂∂x[∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))]+∂∂x[∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))]=∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂2v ∂η∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x+∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x=∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))+2∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) &= \frac{\partial }{\partial x} \Big[\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] + \frac{\partial }{\partial x} \Big[\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big]\\ &= \frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial^2 v\,}{\partial\eta\partial \xi} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x}\\& + \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial \eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial^2 v}{\partial \eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x}\\ &=\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +2\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial \eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +\frac{\partial^2 v}{\partial \eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

and

∂2u∂t2(x,t)=−c∂∂t[∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))]+c∂∂t[∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))]=−c[∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂2v ∂η∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t]+c[∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t]=c2∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))−2c2∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))+c2∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t) &=-c \frac{\partial }{\partial t} \Big[\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] +c \frac{\partial }{\partial t} \Big[ \frac{\partial v}{\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] \\ &=-c \Big[\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial^2 v\,}{\partial\eta\partial \xi} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t}\Big] \\& +c \Big[\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial^2 v}{\partial\eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t}\Big]\\ &=c^2\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) -2c^2\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +c^2\frac{\partial^2 v}{\partial\eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

so that

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=4∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t) =4\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)

Hence

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=0 for all (x,t)  ⟺  4∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))=0 for all (x,t)  ⟺  ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=0 for all (ξ,η)\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t)=0 \text{ for all }(x,t) &\iff 4\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)=0\text{ for all }(x,t)\\ &\iff \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi,\eta\big)=0\text{ for all }(\xi,\eta) \end{aligned}

(b) Now ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=∂∂ξ[∂v∂η]=0\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta}\big(\xi,\eta\big) =\frac{\partial}{\partial\xi} \Big[\frac{\partial v}{\partial\eta}\Big]=0. Temporarily rename ∂v∂η=w\frac{\partial v}{\partial \eta}=w. The equation ∂w∂ξ(ξ,η)=0\frac{\partial w}{\partial \xi}(\xi,\eta)=0 says that, for each fixed η\eta, w(ξ,η)w(\xi,\eta) is a constant. The value of the constant may depend on η\eta. That is, ∂v∂η(ξ,η)=w(ξ,η)=H(η)\frac{\partial v}{\partial \eta}(\xi,\eta)=w(\xi,\eta) =H(\eta), for some function HH. (As a check, observe that ∂∂ξH(η)=0\frac{\partial }{\partial \xi}H(\eta)=0.) So the derivative of vv with respect to η\eta, (viewing ξ\xi as a constant) is H(η)H(\eta).

Let G(η)G(\eta) be any function whose derivative is H(η)H(\eta) (i.e. an indefinite integral of H(η)H(\eta)). Then ∂∂η[v(ξ,η)−G(η)]=H(η)−H(η)=0\frac{\partial }{\partial \eta}\big[v(\xi,\eta)-G(\eta)]=H(\eta)-H(\eta)=0. This is the case if and only if, for each fixed ξ\xi, v(ξ,η)−G(ξ,η)v(\xi,\eta)-G(\xi,\eta) is a constant, independent of η\eta. That is, if and only if

v(ξ,η)−G(η)=F(ξ)v(\xi,\eta)-G(\eta)=F(\xi)

for some function FF. Hence

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=0  ⟺  ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=0 for all (ξ,η)  ⟺  v(ξ,η)=F(ξ)+G(η) for some functions F and G  ⟺  u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))=F(ξ(x,t))+G(η(x,t))  ⟺  u(x,t) =F(x−ct)+G(x+ct)\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t)=0 &\iff \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi,\eta\big)=0\text{ for all }(\xi,\eta)\\ &\iff v(\xi,\eta)=F(\xi)+G(\eta)\text{ for some functions $F$ and $G$}\\ &\iff u(x,t)=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) =F\big(\xi(x,t)\big)+G\big(\eta(x,t)\big)\\ &\phantom{\iff u(x,t)\,}=F(x-ct)+G(x+ct) \end{aligned}

(c) We'll give the interpretation of F(x−ct)F(x-ct). The case G(x+ct)G(x+ct) is similar. Suppose that u(x,t)=F(x−ct)u(x,t)=F(x-ct). Think of u(x,t)u(x,t) as the height of water at position xx and time tt. Pick any number zz. All points (x,t)(x,t) in space time for which x−ct=zx-ct=z have the same value of uu, namely F(z)F(z). So if you move so that your position is x=z+ctx=z+ct (i.e. you move the right with speed cc) you always see the same wave height. Thus F(x−ct)F(x-ct) represents a wave moving to the right with speed cc.

figure

Similarly, G(x+ct)G(x+ct) represents a wave moving to the left with speed cc.

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