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

129문제 · 7 / 7쪽

121.CLP-3 · 2.2절 · 10번대학 수준우리말 번역

ff 를 일변수 미분가능한 임의의 함수라 하자. z(x,y)=f(x2+y2)z(x,y)=f(x^2+y^2) 으로 정의할 때, 등식

y∂z∂x(x,y)−x∂z∂y(x,y)=0y\frac{\partial z}{\partial x}(x,y)-x\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) = 0

은 반드시 성립하는지 판단하세요.

영어 원문 보기

Let ff be any differentiable function of one variable. Define z(x,y)=f(x2+y2)z(x,y)=f(x^2+y^2). Is the equation

y∂z∂x(x,y)−x∂z∂y(x,y)=0y\frac{\partial z}{\partial x}(x,y)-x\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) = 0

necessarily satisfied?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

z(x,y)=f(x2+y2)z(x,y)=f(x^2+y^2) 이므로

∂z∂x(x,y)=2xf′(x2+y2)∂z∂y(x,y)=2yf′(x2+y2)\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(x,y)&=2xf'(x^2+y^2) \\ \frac{\partial z}{\partial y}(x,y)&=2yf'(x^2+y^2) \end{aligned}

이다. 이는 (일반적인 일변수) 합성함수의 미분법에 의한 것이다. 따라서

y∂z∂x−x∂z∂y=y(2x)f′(x2+y2)−x(2y)f′(x2+y2)=0y\frac{\partial z}{\partial x}-x\frac{\partial z}{\partial y} =y(2x)f'(x^2+y^2)-x(2y)f'(x^2+y^2)=0

이고, ff 가 미분가능하여 연쇄 법칙을 적용할 수 있다고 하면 이 미분방정식은 항상 성립한다.

원본 교재 풀이(영어)

As z(x,y)=f(x2+y2)z(x,y)=f(x^2+y^2)

∂z∂x(x,y)=2xf′(x2+y2)∂z∂y(x,y)=2yf′(x2+y2)\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(x,y)&=2xf'(x^2+y^2) \\ \frac{\partial z}{\partial y}(x,y)&=2yf'(x^2+y^2) \end{aligned}

by the (ordinary single variable) chain rule. So

y∂z∂x−x∂z∂y=y(2x)f′(x2+y2)−x(2y)f′(x2+y2)=0y\frac{\partial z}{\partial x}-x\frac{\partial z}{\partial y} =y(2x)f'(x^2+y^2)-x(2y)f'(x^2+y^2)=0

and the differential equation is always satisfied, assuming that ff is differentiable, so that the chain rule applies.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.2절 · 12번
# 편도함수계산도전자동 분류
122.CLP-3 · 2.2절 · 11번대학 수준우리말 번역

함수

f(x,y)={(x+2y)2x+yx+y≠0 이면0x+y=0 이면f(x,y)=\begin{cases}\frac{(x+2y)^2}{x+y}& \text{$x+y\ne 0$ 이면} \\ 0 &\text{$x+y=0$ 이면} \end{cases}

를 정의하자.

(a) 가능하면 ∂f∂x(0,0)\frac{\partial f}{\partial x}(0,0) 과 ∂f∂y(0,0)\frac{\partial f}{\partial y}(0,0) 의 값을 구하세요. (b) f(x,y)f(x,y) 는 (0,0)(0,0) 에서 연속인지 판단하세요.

영어 원문 보기

Define the function

f(x,y)={(x+2y)2x+yif x+y≠00if x+y=0f(x,y)=\begin{cases}\frac{(x+2y)^2}{x+y}& \text{if $x+y\ne 0$} \\ 0 &\text{if $x+y=0$} \end{cases}

(a) Evaluate, if possible, ∂f∂x(0,0)\frac{\partial f}{\partial x}(0,0) and ∂f∂y(0,0)\frac{\partial f}{\partial y}(0,0). (b) Is f(x,y)f(x,y) continuous at (0,0)(0,0)?

정답·풀이 보기

정의에 의해

∂f∂x(0,0)=lim⁡Δx→0f(Δx,0)−f(0,0)Δx=lim⁡Δx→0(Δx+2×0)2Δx+0−0Δx=lim⁡Δx→0ΔxΔx=1\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(0,0) &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{f(\Delta x,0)-f(0,0)}{\Delta x} \\ &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\frac{(\Delta x+2\times 0)^2}{\Delta x+0}-0}{\Delta x} \\ &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\Delta x}{\Delta x} \\ &=1 \end{aligned}

이고

∂f∂y(0,0)=lim⁡Δy→0f(0,Δy)−f(0,0)Δy=lim⁡Δy→0(0+2Δy)20+Δy−0Δy=lim⁡Δy→04ΔyΔy=4\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial y}(0,0) &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{f(0,\Delta y)-f(0,0)}{\Delta y} \\ &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{\frac{(0+2\Delta y)^2}{0+\Delta y}-0}{\Delta y} \\ &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{4\Delta y}{\Delta y} \\ &=4 \end{aligned}

이다.

(b) f(x,y)f(x,y) 는 (0,0)(0,0) 에서 두 편도함수가 모두 존재하지만 연속이 아니다. 이를 확인하기 위해 좌표를 (x,y)(x,y) 에서 (X,y)(X,y) 로 바꾸되 X=x+yX=x+y (분모)로 둔다. 물론 (x,y)→(0,0)(x,y)\rightarrow (0,0) 인 것과 (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow (0,0) 인 것은 동치이다. 이제 XX 가 yy 보다 훨씬 작은 상태로 (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow(0,0) 일 때 어떻게 되는지 보자. 예를 들어 X=ay2X=ay^2 이면

(x+2y)2x+y=(X+y)2X=(ay2+y)2ay2=(1+ay)2a→1a\begin{aligned} \frac{(x+2y)^2}{x+y}=\frac{(X+y)^2}{X}=\frac{(ay^2+y)^2}{ay^2} =\frac{(1+ay)^2}{a}\rightarrow\frac{1}{a} \end{aligned}

이다. 이 값은 aa 에 따라 달라진다. 따라서 서로 다른 경로를 따라 (0,0)(0,0) 에 접근하면 극한이 서로 다르다. (좌표를 바꾸지 않고도 x=−y+ay2x=-y+ay^2 으로 놓고 (x,y)→(0,0)(x,y)\rightarrow (0,0) 으로 보내면 같은 현상을 볼 수 있다.) 더 극단적으로, X=y3X=y^3 으로 놓고 (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow(0,0) 일 때를 보면

(x+2y)2x+y=(X+y)2X=(y3+y)2y3=(1+y2)2y→±∞\frac{(x+2y)^2}{x+y}=\frac{(X+y)^2}{X}=\frac{(y^3+y)^2}{y^3} =\frac{{(1+y^2)}^2}{y}\rightarrow\pm\infty

이다.

원본 교재 풀이(영어)

By definition

∂f∂x(0,0)=lim⁡Δx→0f(Δx,0)−f(0,0)Δx=lim⁡Δx→0(Δx+2×0)2Δx+0−0Δx=lim⁡Δx→0ΔxΔx=1\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(0,0) &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{f(\Delta x,0)-f(0,0)}{\Delta x} \\ &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\frac{(\Delta x+2\times 0)^2}{\Delta x+0}-0}{\Delta x} \\ &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\Delta x}{\Delta x} \\ &=1 \end{aligned}

and

∂f∂y(0,0)=lim⁡Δy→0f(0,Δy)−f(0,0)Δy=lim⁡Δy→0(0+2Δy)20+Δy−0Δy=lim⁡Δy→04ΔyΔy=4\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial y}(0,0) &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{f(0,\Delta y)-f(0,0)}{\Delta y} \\ &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{\frac{(0+2\Delta y)^2}{0+\Delta y}-0}{\Delta y} \\ &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{4\Delta y}{\Delta y} \\ &=4 \end{aligned}

(b) f(x,y)f(x,y) is not continuous at (0,0)(0,0), even though both partial derivatives exist there. To see this, make a change of coordinates from (x,y)(x,y) to (X,y)(X,y) with X=x+yX=x+y (the denominator). Of course, (x,y)→(0,0)(x,y)\rightarrow (0,0) if and only if (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow (0,0). Now watch what happens when (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow(0,0) with XX a lot smaller than yy. For example, X=ay2X=ay^2. Then

(x+2y)2x+y=(X+y)2X=(ay2+y)2ay2=(1+ay)2a→1a\begin{aligned} \frac{(x+2y)^2}{x+y}=\frac{(X+y)^2}{X}=\frac{(ay^2+y)^2}{ay^2} =\frac{(1+ay)^2}{a}\rightarrow\frac{1}{a} \end{aligned}

This depends on aa. So approaching (0,0)(0,0) along different paths gives different limits. (You can see the same effect without changing coordinates by sending (x,y)→(0,0)(x,y)\rightarrow (0,0) with x=−y+ay2x=-y+ay^2.) Even more dramatically, watch what happens when (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow(0,0) with X=y3X=y^3. Then

(x+2y)2x+y=(X+y)2X=(y3+y)2y3=(1+y2)2y→±∞\frac{(x+2y)^2}{x+y}=\frac{(X+y)^2}{X}=\frac{(y^3+y)^2}{y^3} =\frac{{(1+y^2)}^2}{y}\rightarrow\pm\infty

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.2절 · 10번
# 편도함수계산도전자동 분류
123.CLP-3 · 2.2절 · 12번대학 수준우리말 번역

밑면이 xyxy 평면 위에서 중심이 (0,0)(0,0) 이고 반지름이 1인 원이고, yzyz 평면에서 직선 z=yz=y 에 평행하게 기울어진 원기둥을 생각하세요.

그림

점 (0,−1,0)(0,-1,0) 에 서서 yy 축의 양의 방향을 바라볼 때, 곡면의 기울기는 얼마인가요? xx 축의 양의 방향을 바라볼 때는 얼마인가요?

영어 원문 보기

Consider the cylinder whose base is the radius-1 circle in the xyxy-plane centred at (0,0)(0,0), and which slopes parallel to the line in the yzyz-plane given by z=yz=y.

figure

When you stand at the point (0,−1,0)(0,-1,0), what is the slope of the surface if you look in the positive yy direction? The positive xx direction?

정답·풀이 보기

풀이 1

먼저 이 곡면의 방정식을 구하자. 모든 등위곡선은 반지름이 1인 수평 방향의 원이므로, 방정식은 다음 꼴이어야 한다.

(x−f1)2+(y−f2)2=1(x-f_1)^2+(y-f_2)^2=1

여기서 f1f_1 과 f2f_2 는 zz 에만 의존하는 함수이다. 높이 zz 에서 원의 중심이 x=0x=0, y=zy=z 에 있으므로, 이 곡면의 방정식은 다음과 같다.

x2+(y−z)2=1x^2+(y-z)^2=1

점 (x,y)(x,y) 에서 곡면의 높이는 이 방정식을 풀어 얻은 z(x,y)z(x,y) 이다. 즉,

x2+(y−z(x,y))2=1(∗)x^2+\big(y-z(x,y)\big)^2=1 \tag{$*$}

원하는 점 (x,y)=(0,−1)(x,y)= (0,-1) 에서 zx(x,y)z_x(x,y) 와 zy(x,y)z_y(x,y) 를 구하기 위해 이 등식을 음함수 미분한다. 먼저 (∗)(*) 를 yy 에 대해 미분하면

0+2(y−z(x,y))(1−zy(x,y))=02(−1−0)(1−zy(0,−1))=0 에서 (0,−1,0)\begin{aligned} 0+2\big(y-z(x,y)\big)\big(1- z_y(x,y)\big)&=0 \\ 2(-1-0)\big(1-z_y(0,-1)\big)&=0& & \text{ 에서 } (0,-1,0) \end{aligned}

이므로 yy 축의 양의 방향을 바라볼 때의 기울기는 zy(0,−1)=1z_y(0,-1)=1 이다. 마찬가지로 (∗)(*) 를 xx 에 대해 미분하면

2x+2(y−z(x,y))⋅(0−zx(x,y))=02x=2(y−z(x,y))⋅zx(x,y)zx(x,y)=xy−z(x,y)zx(0,−1)=0 에서 (0,−1,0)\begin{aligned} 2x+2\big(y-z(x,y)\big)\cdot\big(0-z_x(x,y)\big)&=0 \\ 2x&=2\big(y-z(x,y)\big)\cdot z_x(x,y)\\ z_x(x,y)&=\frac{x}{y-z(x,y)}\\ z_x(0,-1)&=0 &\text{ 에서 } (0,-1,0) \end{aligned}

xx 축의 양의 방향을 바라볼 때의 기울기는 zx(0,−1)=0z_x(0,-1)=0 이다.

풀이 2

(0,−1,0)(0,-1,0) 에 서서 yy 축의 양의 방향을 바라보면, 곡면은 다음 조건을 만족하는 직선을 따른다.

  • 점 (0,−1,0)(0,-1,0) 을 지난다.
  • 원기둥의 중심선 z=y,x=0z=y, x=0 에 평행하다.

중심선을 yy 방향으로 1만큼 옮기면 직선 z=y+1z=y+1, x=0x=0 을 얻는다. (확인해 보면 (0,−1,0)(0,-1,0) 은 실제로 z=y+1z=y+1, x=0x=0 위에 있다.) 이 직선의 기울기는 1이다.

(0,−1,0)(0,-1,0) 에 서서 xx 축의 양의 방향을 바라보면, 곡면은 원 x2+y2=1x^2+y^2=1, z=0z=0 을 따른다. 이 원은 원기둥과 xyxy 평면의 교선이다. 이 원을 따라 움직이는 동안 zz 좌표는 00 으로 고정된다. 따라서 이 방향의 기울기는 0이다.

원본 교재 풀이(영어)

Solution 1

Let's start by finding an equation for this surface. Every level curve is a horizontal circle of radius one, so the equation should be of the form

(x−f1)2+(y−f2)2=1(x-f_1)^2+(y-f_2)^2=1

where f1f_1 and f2f_2 are functions depending only on zz. Since the centre of the circle at height zz is at position x=0x=0, y=zy=z, we see that the equation of our surface is

x2+(y−z)2=1x^2+(y-z)^2=1

The height of the surface at the point (x,y)(x,y) is the z(x,y)z(x,y) found by solving that equation. That is,

x2+(y−z(x,y))2=1(∗)x^2+\big(y-z(x,y)\big)^2=1 \tag{$*$}

We differentiate this equation implicitly to find zx(x,y)z_x(x,y) and zy(x,y)z_y(x,y) at the desired point (x,y)=(0,−1)(x,y)= (0,-1). First, differentiating (∗)(*) with respect to yy gives

0+2(y−z(x,y))(1−zy(x,y))=02(−1−0)(1−zy(0,−1))=0 at (0,−1,0)\begin{aligned} 0+2\big(y-z(x,y)\big)\big(1- z_y(x,y)\big)&=0 \\ 2(-1-0)\big(1-z_y(0,-1)\big)&=0& & \text{ at } (0,-1,0) \end{aligned}

so that the slope looking in the positive yy direction is zy(0,−1)=1z_y(0,-1)=1. Similarly, differentiating (∗)(*) with respect to xx gives

2x+2(y−z(x,y))⋅(0−zx(x,y))=02x=2(y−z(x,y))⋅zx(x,y)zx(x,y)=xy−z(x,y)zx(0,−1)=0 at (0,−1,0)\begin{aligned} 2x+2\big(y-z(x,y)\big)\cdot\big(0-z_x(x,y)\big)&=0 \\ 2x&=2\big(y-z(x,y)\big)\cdot z_x(x,y)\\ z_x(x,y)&=\frac{x}{y-z(x,y)}\\ z_x(0,-1)&=0 &\text{ at } (0,-1,0) \end{aligned}

The slope looking in the positive xx direction is zx(0,−1)=0z_x(0,-1)=0.

Solution 2

Standing at (0,−1,0)(0,-1,0) and looking in the positive yy direction, the surface follows the straight line that

  • passes through the point (0,−1,0)(0,-1,0), and
  • is parallel to the central line z=y,x=0z=y, x=0 of the cylinder.

Shifting the central line one unit in the yy-direction, we get the line z=y+1z=y+1, x=0x=0. (As a check, notice that (0,−1,0)(0,-1,0) is indeed on z=y+1z=y+1, x=0x=0.) The slope of this line is 1.

Standing at (0,−1,0)(0,-1,0) and looking in the positive xx direction, the surface follows the circle x2+y2=1x^2+y^2=1, z=0z=0, which is the intersection of the cylinder with the xyxy-plane. As we move along that circle our zz coordinate stays fixed at 00. So the slope in that direction is 0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4장 복습 · 4번
# 편도함수그래프·표 해석도전자동 분류
124.CLP-3 · 2.3절 · 2번대학 수준우리말 번역

가능하다면, fx(x,y)=eyf_x(x,y)=e^y 이고 fy(x,y)=exf_y(x,y)=e^x 인 함수 f(x,y)f(x,y) 를 구하세요.

영어 원문 보기

Find, if possible, a function f(x,y)f(x,y) for which fx(x,y)=eyf_x(x,y)=e^y and fy(x,y)=exf_y(x,y)=e^x.

정답·풀이 보기

그러한 f(x,y)f(x,y) 는 존재하지 않는다. 만약 존재한다면 fxy(x,y)=fyx(x,y)f_{xy}(x,y)=f_{yx}(x,y) 이어야 하기 때문이다. 그런데

fxy(x,y)=∂∂yfx(x,y)=∂∂yey=eyfyx(x,y)=∂∂xfy(x,y)=∂∂xex=ex\begin{aligned} f_{xy}(x,y)&=\frac{\partial }{\partial y}f_x(x,y)=\frac{\partial }{\partial y}e^y=e^y \\ f_{yx}(x,y)&=\frac{\partial }{\partial x}f_y(x,y)=\frac{\partial }{\partial x}e^x=e^x \end{aligned}

이므로 두 값은 서로 같지 않다.

원본 교재 풀이(영어)

No such f(x,y)f(x,y) exists, because if it were to exist, then we would have that fxy(x,y)=fyx(x,y)f_{xy}(x,y)=f_{yx}(x,y). But

fxy(x,y)=∂∂yfx(x,y)=∂∂yey=eyfyx(x,y)=∂∂xfy(x,y)=∂∂xex=ex\begin{aligned} f_{xy}(x,y)&=\frac{\partial }{\partial y}f_x(x,y)=\frac{\partial }{\partial y}e^y=e^y \\ f_{yx}(x,y)&=\frac{\partial }{\partial x}f_y(x,y)=\frac{\partial }{\partial x}e^x=e^x \end{aligned}

are not equal.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.3절 · 4번
# 편도함수계산기본자동 분류
125.CLP-3 · 2.3절 · 3번대학 수준우리말 번역

주어진 편도함수를 구하세요.

(a) f(x,y)=x2y3f(x,y) = x^2y^3; fxx(x,y)f_{xx}(x,y), fxyy(x,y)f_{xyy}(x,y), fyxy(x,y)f_{yxy}(x,y) (b) f(x,y)=exy2f(x,y) = e^{xy^2}; fxx(x,y)f_{xx}(x,y), fxy(x,y)f_{xy}(x,y), fxxy(x,y)f_{xxy}(x,y), fxyy(x,y)f_{xyy}(x,y) (c) f(u,v,w)=1u+2v+3w \displaystyle f(u,v,w) = \frac{1}{u+2v+3w}\ , ∂3f∂u∂v∂w(u,v,w) \displaystyle \frac{\partial^3 f}{\partial u\partial v\partial w}(u,v,w)\ , ∂3f∂u∂v∂w(3,2,1)\displaystyle \frac{\partial^3 f}{\partial u\partial v\partial w}(3,2,1)

영어 원문 보기

Find the specified partial derivatives.

(a) f(x,y)=x2y3f(x,y) = x^2y^3; fxx(x,y)f_{xx}(x,y), fxyy(x,y)f_{xyy}(x,y), fyxy(x,y)f_{yxy}(x,y) (b) f(x,y)=exy2f(x,y) = e^{xy^2}; fxx(x,y)f_{xx}(x,y), fxy(x,y)f_{xy}(x,y), fxxy(x,y)f_{xxy}(x,y), fxyy(x,y)f_{xyy}(x,y) (c) f(u,v,w)=1u+2v+3w \displaystyle f(u,v,w) = \frac{1}{u+2v+3w}\ , ∂3f∂u∂v∂w(u,v,w) \displaystyle \frac{\partial^3 f}{\partial u\partial v\partial w}(u,v,w)\ , ∂3f∂u∂v∂w(3,2,1)\displaystyle \frac{\partial^3 f}{\partial u\partial v\partial w}(3,2,1)

정답·풀이 보기

(a) 다음과 같다.

fx(x,y)=2xy3fxx(x,y)=2y3fxy(x,y)=6xy2fyxy(x,y)=fxyy(x,y)=12xy\begin{aligned} f_x(x,y) &= 2xy^3 & f_{xx}(x,y) &= 2y^3 \\ & & f_{xy}(x,y) &= 6xy^2 & f_{yxy}(x,y) = f_{xyy}(x,y) &= 12xy \end{aligned}

(b) 다음과 같다.

fx(x,y)=y2exy2fxx(x,y)=y4exy2fxxy(x,y)=4y3exy2+2xy5exy2fxy(x,y)=2yexy2+2xy3exy2fxyy(x,y)=(2+4xy2+6xy2+4x2y4)exy2=(2+10xy2+4x2y4)exy2\begin{aligned} f_x(x,y) &= y^2e^{xy^2} & f_{xx}(x,y) &= y^4e^{xy^2} & f_{xxy}(x,y) &= 4y^3e^{xy^2} + 2xy^5e^{xy^2} \\ & & f_{xy}(x,y) &= 2ye^{xy^2}+2xy^3e^{xy^2} & f_{xyy}(x,y) &= \big(2+4xy^2+6xy^2+4x^2y^4\big)e^{xy^2}\\ & & & & &= \big(2+10xy^2+4x^2y^4\big)e^{xy^2} \end{aligned}

(c) 다음과 같다.

∂f∂u(u,v,w)=−1(u+2v+3w)2∂2f∂u ∂v(u,v,w)=4(u+2v+3w)3∂3f∂u ∂v ∂w(u,v,w)=−36(u+2v+3w)4\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial u}(u,v,w) &= -\frac{1}{(u+2v+3w)^2} \\ \frac{\partial^2 f}{\partial u\,\partial v}(u,v,w) &= \frac{4}{(u+2v+3w)^3} \\ \frac{\partial^3 f}{\partial u\,\partial v\,\partial w}(u,v,w) &= -\frac{36}{(u+2v+3w)^4} \end{aligned}

특히

∂3f∂u ∂v ∂w(3,2,1)=−36(3+2×2+3×1)4=−36104=−92500\begin{aligned} \frac{\partial^3 f}{\partial u\,\partial v\,\partial w}(3,2,1) &= -\frac{36}{(3+2\times 2+3\times 1)^4} = -\frac{36}{10^4} = -\frac{9}{2500} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) We have

fx(x,y)=2xy3fxx(x,y)=2y3fxy(x,y)=6xy2fyxy(x,y)=fxyy(x,y)=12xy\begin{aligned} f_x(x,y) &= 2xy^3 & f_{xx}(x,y) &= 2y^3 \\ & & f_{xy}(x,y) &= 6xy^2 & f_{yxy}(x,y) = f_{xyy}(x,y) &= 12xy \end{aligned}

(b) We have

fx(x,y)=y2exy2fxx(x,y)=y4exy2fxxy(x,y)=4y3exy2+2xy5exy2fxy(x,y)=2yexy2+2xy3exy2fxyy(x,y)=(2+4xy2+6xy2+4x2y4)exy2=(2+10xy2+4x2y4)exy2\begin{aligned} f_x(x,y) &= y^2e^{xy^2} & f_{xx}(x,y) &= y^4e^{xy^2} & f_{xxy}(x,y) &= 4y^3e^{xy^2} + 2xy^5e^{xy^2} \\ & & f_{xy}(x,y) &= 2ye^{xy^2}+2xy^3e^{xy^2} & f_{xyy}(x,y) &= \big(2+4xy^2+6xy^2+4x^2y^4\big)e^{xy^2}\\ & & & & &= \big(2+10xy^2+4x^2y^4\big)e^{xy^2} \end{aligned}

(c) We have

∂f∂u(u,v,w)=−1(u+2v+3w)2∂2f∂u ∂v(u,v,w)=4(u+2v+3w)3∂3f∂u ∂v ∂w(u,v,w)=−36(u+2v+3w)4\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial u}(u,v,w) &= -\frac{1}{(u+2v+3w)^2} \\ \frac{\partial^2 f}{\partial u\,\partial v}(u,v,w) &= \frac{4}{(u+2v+3w)^3} \\ \frac{\partial^3 f}{\partial u\,\partial v\,\partial w}(u,v,w) &= -\frac{36}{(u+2v+3w)^4} \end{aligned}

In particular

∂3f∂u ∂v ∂w(3,2,1)=−36(3+2×2+3×1)4=−36104=−92500\begin{aligned} \frac{\partial^3 f}{\partial u\,\partial v\,\partial w}(3,2,1) &= -\frac{36}{(3+2\times 2+3\times 1)^4} = -\frac{36}{10^4} = -\frac{9}{2500} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.3절 · 18번
# 편도함수계산보통자동 분류
126.CLP-3 · 2.3절 · 4번대학 수준우리말 번역

f(x,y)=x2+5y2f(x,y)=\sqrt{x^2+5y^2} 의 모든 이계편도함수를 구하세요.

영어 원문 보기

Find all second partial derivatives of f(x,y)=x2+5y2f(x,y)=\sqrt{x^2+5y^2}.

정답·풀이 보기

f(x,y)=x2+5y2f(x,y)=\sqrt{x^2+5y^2} 이라 하자. 그러면

fx=xx2+5y2fxx=1x2+5y2−12(x)(2x)(x2+5y2)3/2fxy=−12(x)(10y)(x2+5y2)3/2fy=5yx2+5y2fyy=5x2+5y2−12(5y)(10y)(x2+5y2)3/2fyx=−12(5y)(2x)(x2+5y2)3/2\begin{aligned} f_x&=\frac{x}{\sqrt{x^2+5y^2}} & f_{xx}&=\frac{1}{\sqrt{x^2+5y^2}}-\frac{1}{2}\frac{(x)(2x)}{(x^2+5y^2)^{3/2}} & f_{xy}&=-\frac{1}{2}\frac{(x)(10y)}{(x^2+5y^2)^{3/2}} \\ f_y&=\frac{5y}{\sqrt{x^2+5y^2}} & f_{yy}&=\frac{5}{\sqrt{x^2+5y^2}}-\frac{1}{2}\frac{(5y)(10y)}{(x^2+5y^2)^{3/2}}& f_{yx}&=-\frac{1}{2}\frac{(5y)(2x)}{(x^2+5y^2)^{3/2}} \end{aligned}

간단히 하면, 특히 1x2+5y2=x2+5y2(x2+5y2)3/2\frac{1}{\sqrt{x^2+5y^2}} =\frac{x^2+5y^2}{(x^2+5y^2)^{3/2}} 임을 이용하면,

fxx=5y2(x2+5y2)3/2fxy=fyx=−5xy(x2+5y2)3/2fyy=5x2(x2+5y2)3/2f_{xx}=\frac{5y^2}{(x^2+5y^2)^{3/2}}\qquad f_{xy}=f_{yx}=-\frac{5xy}{(x^2+5y^2)^{3/2}}\qquad f_{yy}=\frac{5x^2}{(x^2+5y^2)^{3/2}}

원본 교재 풀이(영어)

Let f(x,y)=x2+5y2f(x,y)=\sqrt{x^2+5y^2}. Then

fx=xx2+5y2fxx=1x2+5y2−12(x)(2x)(x2+5y2)3/2fxy=−12(x)(10y)(x2+5y2)3/2fy=5yx2+5y2fyy=5x2+5y2−12(5y)(10y)(x2+5y2)3/2fyx=−12(5y)(2x)(x2+5y2)3/2\begin{aligned} f_x&=\frac{x}{\sqrt{x^2+5y^2}} & f_{xx}&=\frac{1}{\sqrt{x^2+5y^2}}-\frac{1}{2}\frac{(x)(2x)}{(x^2+5y^2)^{3/2}} & f_{xy}&=-\frac{1}{2}\frac{(x)(10y)}{(x^2+5y^2)^{3/2}} \\ f_y&=\frac{5y}{\sqrt{x^2+5y^2}} & f_{yy}&=\frac{5}{\sqrt{x^2+5y^2}}-\frac{1}{2}\frac{(5y)(10y)}{(x^2+5y^2)^{3/2}}& f_{yx}&=-\frac{1}{2}\frac{(5y)(2x)}{(x^2+5y^2)^{3/2}} \end{aligned}

Simplifying, and in particular using that 1x2+5y2=x2+5y2(x2+5y2)3/2\frac{1}{\sqrt{x^2+5y^2}} =\frac{x^2+5y^2}{(x^2+5y^2)^{3/2}},

fxx=5y2(x2+5y2)3/2fxy=fyx=−5xy(x2+5y2)3/2fyy=5x2(x2+5y2)3/2f_{xx}=\frac{5y^2}{(x^2+5y^2)^{3/2}}\qquad f_{xy}=f_{yx}=-\frac{5xy}{(x^2+5y^2)^{3/2}}\qquad f_{yy}=\frac{5x^2}{(x^2+5y^2)^{3/2}}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.3절 · 3번
# 편도함수활용보통자동 분류
127.CLP-3 · 2.3절 · 5번대학 수준우리말 번역

주어진 편도함수를 구하세요.

(a) f(x,y,z)=arctan⁡(exy)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big); fxyz(x,y,z)f_{xyz}(x,y,z) (b) f(x,y,z)=arctan⁡(exy)+arctan⁡(exz)+arctan⁡(eyz)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big) +\arctan\big(e^{\sqrt{xz}}\big) +\arctan\big(e^{\sqrt{yz}}\big); fxyz(x,y,z)f_{xyz}(x,y,z) (c) f(x,y,z)=arctan⁡(exyz)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xyz}}\big); fxx(1,0,0)f_{xx}(1,0,0)

영어 원문 보기

Find the specified partial derivatives.

(a) f(x,y,z)=arctan⁡(exy)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big); fxyz(x,y,z)f_{xyz}(x,y,z) (b) f(x,y,z)=arctan⁡(exy)+arctan⁡(exz)+arctan⁡(eyz)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big) +\arctan\big(e^{\sqrt{xz}}\big) +\arctan\big(e^{\sqrt{yz}}\big); fxyz(x,y,z)f_{xyz}(x,y,z) (c) f(x,y,z)=arctan⁡(exyz)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xyz}}\big); fxx(1,0,0)f_{xx}(1,0,0)

정답·풀이 보기

(a) f(x,y,z)=arctan⁡(exy)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big) 는 zz 에 무관하므로 fz(x,y,z)=0f_z(x,y,z) = 0 이고, 따라서

fxyz(x,y,z)=fzxy(x,y,z)=0f_{xyz}(x,y,z) =f_{zxy}(x,y,z) =0

이다.

(b) u(x,y,z)=arctan⁡(exy)u(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big), v(x,y,z)=arctan⁡(exz)v(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xz}}\big), w(x,y,z)=arctan⁡(eyz)w(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{yz}}\big) 라 하자. 그러면

  • u(x,y,z)=arctan⁡(exy)u(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big) 는 zz 에 무관하므로 uz(x,y,z)=0u_z(x,y,z) = 0 이고, 따라서 uxyz(x,y,z)=uzxy(x,y,z)=0 u_{xyz}(x,y,z) =u_{zxy}(x,y,z) =0
  • v(x,y,z)=arctan⁡(exz)v(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xz}}\big) 는 yy 에 무관하므로 vy(x,y,z)=0v_y(x,y,z) = 0 이고, 따라서 vxyz(x,y,z)=vyxz(x,y,z)=0 v_{xyz}(x,y,z) =v_{yxz}(x,y,z) =0
  • w(x,y,z)=arctan⁡(eyz)w(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{yz}}\big) 는 xx 에 무관하므로 wx(x,y,z)=0w_x(x,y,z) = 0 이고, 따라서 wxyz(x,y,z)=0 w_{xyz}(x,y,z) =0

f(x,y,z)=u(x,y,z)+v(x,y,z)+w(x,y,z)f(x,y,z)=u(x,y,z)+v(x,y,z)+w(x,y,z) 이므로

fxyz(x,y,z)=uxyz(x,y,z)+vxyz(x,y,z)+wxyz(x,y,z)=0f_{xyz}(x,y,z)=u_{xyz}(x,y,z)+v_{xyz}(x,y,z)+w_{xyz}(x,y,z)=0

이다.

(c) fxx(x,0,0)f_{xx}(x,0,0) 을 구하는 과정에서 yy 와 zz 는 모두 00 으로 고정된다. 따라서 g(x)=f(x,0,0)g(x) = f(x,0,0) 이라 하면 fxx(x,0,0)=g′′(x)f_{xx}(x,0,0)=g''(x) 이다. 이제

g(x)=f(x,0,0)=arctan⁡(exyz)∣y=z=0=arctan⁡(1)=π4g(x) = f(x,0,0) = \arctan\big(e^{\sqrt{xyz}}\big)\Big|_{y=z=0} =\arctan(1) =\frac{\pi}{4}

이고 이는 모든 xx 에 대해 성립한다. 그러므로 모든 xx 에 대해 g′(x)=0g'(x)=0 이고 g′′(x)=0g''(x)=0 이다. 특히

fxx(1,0,0)=g′′(1)=0f_{xx}(1,0,0) = g''(1) = 0

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) As f(x,y,z)=arctan⁡(exy)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big) is independent of zz, we have fz(x,y,z)=0f_z(x,y,z) = 0 and hence

fxyz(x,y,z)=fzxy(x,y,z)=0f_{xyz}(x,y,z) =f_{zxy}(x,y,z) =0

(b) Write u(x,y,z)=arctan⁡(exy)u(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big), v(x,y,z)=arctan⁡(exz)v(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xz}}\big) and w(x,y,z)=arctan⁡(eyz)w(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{yz}}\big). Then

  • As u(x,y,z)=arctan⁡(exy)u(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big) is independent of zz, we have uz(x,y,z)=0u_z(x,y,z) = 0 and hence uxyz(x,y,z)=uzxy(x,y,z)=0 u_{xyz}(x,y,z) =u_{zxy}(x,y,z) =0
  • As v(x,y,z)=arctan⁡(exz)v(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xz}}\big) is independent of yy, we have vy(x,y,z)=0v_y(x,y,z) = 0 and hence vxyz(x,y,z)=vyxz(x,y,z)=0 v_{xyz}(x,y,z) =v_{yxz}(x,y,z) =0
  • As w(x,y,z)=arctan⁡(eyz)w(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{yz}}\big) is independent of xx, we have wx(x,y,z)=0w_x(x,y,z) = 0 and hence wxyz(x,y,z)=0 w_{xyz}(x,y,z) =0

As f(x,y,z)=u(x,y,z)+v(x,y,z)+w(x,y,z)f(x,y,z)=u(x,y,z)+v(x,y,z)+w(x,y,z), we have

fxyz(x,y,z)=uxyz(x,y,z)+vxyz(x,y,z)+wxyz(x,y,z)=0f_{xyz}(x,y,z)=u_{xyz}(x,y,z)+v_{xyz}(x,y,z)+w_{xyz}(x,y,z)=0

(c) In the course of evaluating fxx(x,0,0)f_{xx}(x,0,0), both yy and zz are held fixed at 00. Thus, if we set g(x)=f(x,0,0)g(x) = f(x,0,0), then fxx(x,0,0)=g′′(x)f_{xx}(x,0,0)=g''(x). Now

g(x)=f(x,0,0)=arctan⁡(exyz)∣y=z=0=arctan⁡(1)=π4g(x) = f(x,0,0) = \arctan\big(e^{\sqrt{xyz}}\big)\Big|_{y=z=0} =\arctan(1) =\frac{\pi}{4}

for all xx. So g′(x)=0g'(x)=0 and g′′(x)=0g''(x)=0 for all xx. In particular,

fxx(1,0,0)=g′′(1)=0f_{xx}(1,0,0) = g''(1) = 0

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.3절 · 4번
# 편도함수계산보통자동 분류
128.CLP-3 · 2.3절 · 6번대학 수준우리말 번역

mm 이 양의 정수일 때, f(r,θ)=rmcos⁡mθf(r,\theta)=r^m\cos m\theta 를 rr 과 θ\theta 의 함수라 하자.

(a) 이계편도함수 frrf_{rr}, frθf_{r\theta}, fθθf_{\theta\theta} 를 구하고, (r,θ)=(1,0)(r,\theta)=(1,0) 에서 각각의 값을 구하세요. (b) f(r,θ)f(r,\theta) 가 미분방정식

frr+λrfr+1r2fθθ=0f_{rr}+\frac{\lambda }{r}f_r+\frac{1}{r^2}f_{\theta\theta}=0

을 만족하도록 실수 λ\lambda 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(r,θ)=rmcos⁡mθf(r,\theta)=r^m\cos m\theta be a function of rr and θ\theta, where mm is a positive integer.

(a) Find the second order partial derivatives frrf_{rr}, frθf_{r\theta}, fθθf_{\theta\theta} and evaluate their respective values at (r,θ)=(1,0)(r,\theta)=(1,0). (b) Determine the value of the real number λ\lambda so that f(r,θ)f(r,\theta) satisfies the differential equation

frr+λrfr+1r2fθθ=0f_{rr}+\frac{\lambda }{r}f_r+\frac{1}{r^2}f_{\theta\theta}=0

정답·풀이 보기

(a) 일계편도함수는 다음과 같다.

fr(r,θ)=mrm−1cos⁡mθfθ(r,θ)=−mrmsin⁡mθf_r(r,\theta)=mr^{m-1}\cos m\theta\qquad f_\theta(r,\theta)=-mr^m\sin m\theta

이계편도함수는 다음과 같다.

frr(r,θ)=m(m−1)rm−2cos⁡mθfrθ(r,θ)=−m2rm−1sin⁡mθfθθ(r,θ)=−m2rmcos⁡mθf_{rr}(r,\theta)=m(m-1)r^{m-2}\cos m\theta\quad f_{r\theta}(r,\theta)=-m^2r^{m-1}\sin m\theta\quad f_{\theta\theta}(r,\theta)=-m^2r^m\cos m\theta

따라서

frr(1,0)=m(m−1), frθ(1,0)=0, fθθ(1,0)=−m2f_{rr}(1,0)=m(m-1),\ f_{r\theta}(1,0)=0,\ f_{\theta\theta}(1,0)=-m^2

(b) (a)에 의해 식

frr+λrfr+1r2fθθ=m(m−1)rm−2cos⁡mθ+λmrm−2cos⁡mθ−m2rm−2cos⁡mθf_{rr}+\frac{\lambda }{r}f_r+\frac{1}{r^2}f_{\theta\theta} =m(m-1)r^{m-2}\cos m\theta+\lambda mr^{m-2}\cos m\theta-m^2r^{m-2}\cos m\theta

이 모든 rr 와 θ\theta 에 대해 0이 될 필요충분조건은 다음과 같다.

m(m−1)+λm−m2=0  ⟺  m(λ−1)=0  ⟺  λ=1m(m-1)+\lambda m-m^2=0\iff m(\lambda -1)=0\iff \lambda =1

원본 교재 풀이(영어)

(a) The first order derivatives are

fr(r,θ)=mrm−1cos⁡mθfθ(r,θ)=−mrmsin⁡mθf_r(r,\theta)=mr^{m-1}\cos m\theta\qquad f_\theta(r,\theta)=-mr^m\sin m\theta

The second order derivatives are

frr(r,θ)=m(m−1)rm−2cos⁡mθfrθ(r,θ)=−m2rm−1sin⁡mθfθθ(r,θ)=−m2rmcos⁡mθf_{rr}(r,\theta)=m(m-1)r^{m-2}\cos m\theta\quad f_{r\theta}(r,\theta)=-m^2r^{m-1}\sin m\theta\quad f_{\theta\theta}(r,\theta)=-m^2r^m\cos m\theta

so that

frr(1,0)=m(m−1), frθ(1,0)=0, fθθ(1,0)=−m2f_{rr}(1,0)=m(m-1),\ f_{r\theta}(1,0)=0,\ f_{\theta\theta}(1,0)=-m^2

(b) By part (a), the expression

frr+λrfr+1r2fθθ=m(m−1)rm−2cos⁡mθ+λmrm−2cos⁡mθ−m2rm−2cos⁡mθf_{rr}+\frac{\lambda }{r}f_r+\frac{1}{r^2}f_{\theta\theta} =m(m-1)r^{m-2}\cos m\theta+\lambda mr^{m-2}\cos m\theta-m^2r^{m-2}\cos m\theta

vanishes for all rr and θ\theta if and only if

m(m−1)+λm−m2=0  ⟺  m(λ−1)=0  ⟺  λ=1m(m-1)+\lambda m-m^2=0\iff m(\lambda -1)=0\iff \lambda =1

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.3절 · 5번
# 편도함수활용보통자동 분류
129.CLP-3 · 2.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

α>0\alpha >0 를 상수라 하자. u(x,y,z,t)=1t3/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)\displaystyle u(x,y,z,t) =\frac{1}{t^{3/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} 가 열방정식

ut=α(uxx+uyy+uzz)u_t = \alpha \big(u_{xx} + u_{yy} + u_{zz} \big)

을 모든 t>0t>0 에 대해 만족함을 보이세요.

영어 원문 보기

Let α>0\alpha >0 be a constant. Show that u(x,y,z,t)=1t3/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)\displaystyle u(x,y,z,t) =\frac{1}{t^{3/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} satisfies the heat equation

ut=α(uxx+uyy+uzz)u_t = \alpha \big(u_{xx} + u_{yy} + u_{zz} \big)

for all t>0t>0

정답·풀이 보기

ut(x,y,z,t)=−321t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+14α t7/2(x2+y2+z2)e−(x2+y2+z2)/(4αt)ux(x,y,z,t)=−x2α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uxx(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+x24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uyy(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+y24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uzz(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+z24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)\begin{aligned} u_t(x,y,z,t) &=-\frac{3}{2}\frac{1}{t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{1}{4\alpha \,t^{7/2}}(x^2+y^2+z^2) e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_x(x,y,z,t) &=-\frac{x}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{xx}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{x^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{yy}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{y^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{zz}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{z^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \end{aligned}

이므로 다음을 얻는다.

α(uxx+uyy+uzz)=−32 t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+x2+y2+z24α t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)=ut\begin{aligned} \alpha \big(u_{xx} + u_{yy} + u_{zz} \big) &=-\frac{3}{2\,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{x^2+y^2+z^2}{4\alpha \,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} =u_t \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

As

ut(x,y,z,t)=−321t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+14α t7/2(x2+y2+z2)e−(x2+y2+z2)/(4αt)ux(x,y,z,t)=−x2α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uxx(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+x24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uyy(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+y24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uzz(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+z24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)\begin{aligned} u_t(x,y,z,t) &=-\frac{3}{2}\frac{1}{t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{1}{4\alpha \,t^{7/2}}(x^2+y^2+z^2) e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_x(x,y,z,t) &=-\frac{x}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{xx}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{x^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{yy}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{y^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{zz}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{z^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \end{aligned}

we have

α(uxx+uyy+uzz)=−32 t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+x2+y2+z24α t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)=ut\begin{aligned} \alpha \big(u_{xx} + u_{yy} + u_{zz} \big) &=-\frac{3}{2\,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{x^2+y^2+z^2}{4\alpha \,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} =u_t \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.3절 · 6번
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