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편미분방정식 맛보기

열·파동·라플라스 방정식 같은 편미분방정식의 해를 확인한다

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

4문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 2.8절 · 3번대학 수준우리말 번역

라플라스 방정식 uxx(x,y)+uyy(x,y)=0u_{xx}(x,y)+u_{yy}(x,y)=0 의 해를 조화함수라고 합니다. 다음 함수 중 조화함수인 것은 어느 것인지 구하세요.

(a) x3−3xy2x^3-3xy^2 (b) x3−y3x^3-y^3 (c) sin⁡(x) cos⁡(y)\sin(x)\,\cos(y) (d) e7x cos⁡(7y)e^{7x}\,\cos(7y) (e) ln⁡(x2+y2)\ln(x^2+y^2)

영어 원문 보기

Solutions of Laplace's equation uxx(x,y)+uyy(x,y)=0u_{xx}(x,y)+u_{yy}(x,y)=0 are called harmonic functions. Which of the following functions are harmonic?

(a) x3−3xy2x^3-3xy^2 (b) x3−y3x^3-y^3 (c) sin⁡(x) cos⁡(y)\sin(x)\,\cos(y) (d) e7x cos⁡(7y)e^{7x}\,\cos(7y) (e) ln⁡(x2+y2)\ln(x^2+y^2)

정답·풀이 보기

(a) u(x,y)=x3−3xy2u(x,y) = x^3-3xy^2 이면

ux=3x2−3y2uxx=6xuy=−6xyuyy=−6x\begin{aligned} u_x&= 3x^2-3y^2 \qquad& u_{xx}&= 6x \\ u_y&= -6xy \qquad& u_{yy}&= -6x \end{aligned}

이므로 uxx(x,y)+uyy(x,y)=6x−6x=0u_{xx}(x,y)+u_{yy}(x,y)=6x-6x=0 이고 x3−3xy2x^3-3xy^2 은 조화함수이다.

(b) u(x,y)=x3−y3u(x,y) = x^3-y^3 이면

ux=3x2uxx=6xuy=−3y2uyy=−6y\begin{aligned} u_x&= 3x^2 \qquad& u_{xx}&= 6x \\ u_y&= -3y^2 \qquad& u_{yy}&= -6y \end{aligned}

이므로 uxx(x,y)+uyy(x,y)=6x−6yu_{xx}(x,y)+u_{yy}(x,y)=6x-6y 는 항등적으로 0이 아니고, x3−y3x^3-y^3 은 조화함수가 아니다.

(c) u(x,y)=sin⁡(x) cos⁡(y)u(x,y) = \sin(x)\,\cos(y) 이면

ux=cos⁡(x) cos⁡(y)uxx=−sin⁡(x) cos⁡(y)uy=−sin⁡(x) sin⁡(y)uyy=−sin⁡(x) cos⁡(y)\begin{aligned} u_x&= \cos(x)\,\cos(y) \qquad& u_{xx}&= -\sin(x)\,\cos(y) \\ u_y&= -\sin(x)\,\sin(y) \qquad& u_{yy}&= -\sin(x)\,\cos(y) \end{aligned}

이므로 uxx(x,y)+uyy(x,y)=−2sin⁡(x) cos⁡(y)u_{xx}(x,y)+u_{yy}(x,y)=-2\sin(x)\,\cos(y) 는 항등적으로 0이 아니고, sin⁡(x) cos⁡(y)\sin(x)\,\cos(y) 는 조화함수가 아니다.

(d) u(x,y)=e7x cos⁡(7y)u(x,y) = e^{7x}\,\cos(7y) 이면

ux=7 e7x cos⁡(7y)uxx=49 e7x cos⁡(7y)uy=−7 e7x sin⁡(7y)uyy=−49 e7x cos⁡(7y)\begin{aligned} u_x&= 7\,e^{7x}\,\cos(7y) \qquad& u_{xx}&= 49\,e^{7x}\,\cos(7y) \\ u_y&= -7\,e^{7x}\ \sin(7y) \qquad& u_{yy}&= -49\,e^{7x}\,\cos(7y) \end{aligned}

이므로 uxx(x,y)+uyy(x,y)=49 e7x cos⁡(7y)−49 e7x cos⁡(7y)=0u_{xx}(x,y)+u_{yy}(x,y)=49\,e^{7x}\,\cos(7y)-49\,e^{7x}\,\cos(7y)=0 이고 e7x cos⁡(7y)e^{7x}\,\cos(7y) 는 조화함수이다.

(e) u(x,y)=ln⁡(x2+y2)u(x,y) = \ln(x^2+y^2) 이면

ux=2xx2+y2uxx=2x2+y2−4x2(x2+y2)2uy=2yx2+y2uyy=2x2+y2−4y2(x2+y2)2\begin{aligned} u_x&= \frac{2x}{x^2+y^2} \qquad& u_{xx}&= \frac{2}{x^2+y^2}- \frac{4x^2}{{(x^2+y^2)}^2}\\ u_y&= \frac{2y}{x^2+y^2} \qquad& u_{yy}&= \frac{2}{x^2+y^2}- \frac{4y^2}{{(x^2+y^2)}^2} \end{aligned}

이므로

uxx(x,y)+uyy(x,y)=2x2+y2−4x2(x2+y2)2+2x2+y2−4y2(x2+y2)2=4x2+y2−4x2+y2(x2+y2)2=4x2+y2−4x2+y2=0\begin{aligned} u_{xx}(x,y)+u_{yy}(x,y)&=\frac{2}{x^2+y^2}- \frac{4x^2}{{(x^2+y^2)}^2} +\frac{2}{x^2+y^2}- \frac{4y^2}{{(x^2+y^2)}^2} \\ &=\frac{4}{x^2+y^2} - 4\frac{x^2+y^2}{{(x^2+y^2)}^2} \\ &=\frac{4}{x^2+y^2}-\frac{4}{x^2+y^2} \\ &=0 \end{aligned}

이고 ln⁡(x2+y2)\ln(x^2+y^2) 은 조화함수이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If u(x,y)=x3−3xy2u(x,y) = x^3-3xy^2, then

ux=3x2−3y2uxx=6xuy=−6xyuyy=−6x\begin{aligned} u_x&= 3x^2-3y^2 \qquad& u_{xx}&= 6x \\ u_y&= -6xy \qquad& u_{yy}&= -6x \end{aligned}

So uxx(x,y)+uyy(x,y)=6x−6x=0u_{xx}(x,y)+u_{yy}(x,y)=6x-6x=0 and x3−3xy2x^3-3xy^2 is harmonic.

(b) If u(x,y)=x3−y3u(x,y) = x^3-y^3, then

ux=3x2uxx=6xuy=−3y2uyy=−6y\begin{aligned} u_x&= 3x^2 \qquad& u_{xx}&= 6x \\ u_y&= -3y^2 \qquad& u_{yy}&= -6y \end{aligned}

So uxx(x,y)+uyy(x,y)=6x−6yu_{xx}(x,y)+u_{yy}(x,y)=6x-6y is not identically zero and x3−y3x^3-y^3 is not harmonic.

(c) If u(x,y)=sin⁡(x) cos⁡(y)u(x,y) = \sin(x)\,\cos(y), then

ux=cos⁡(x) cos⁡(y)uxx=−sin⁡(x) cos⁡(y)uy=−sin⁡(x) sin⁡(y)uyy=−sin⁡(x) cos⁡(y)\begin{aligned} u_x&= \cos(x)\,\cos(y) \qquad& u_{xx}&= -\sin(x)\,\cos(y) \\ u_y&= -\sin(x)\,\sin(y) \qquad& u_{yy}&= -\sin(x)\,\cos(y) \end{aligned}

So uxx(x,y)+uyy(x,y)=−2sin⁡(x) cos⁡(y)u_{xx}(x,y)+u_{yy}(x,y)=-2\sin(x)\,\cos(y) is not identically zero and sin⁡(x) cos⁡(y)\sin(x)\,\cos(y) is not harmonic.

(d) If u(x,y)=e7x cos⁡(7y)u(x,y) = e^{7x}\,\cos(7y), then

ux=7 e7x cos⁡(7y)uxx=49 e7x cos⁡(7y)uy=−7 e7x sin⁡(7y)uyy=−49 e7x cos⁡(7y)\begin{aligned} u_x&= 7\,e^{7x}\,\cos(7y) \qquad& u_{xx}&= 49\,e^{7x}\,\cos(7y) \\ u_y&= -7\,e^{7x}\ \sin(7y) \qquad& u_{yy}&= -49\,e^{7x}\,\cos(7y) \end{aligned}

So uxx(x,y)+uyy(x,y)=49 e7x cos⁡(7y)−49 e7x cos⁡(7y)=0u_{xx}(x,y)+u_{yy}(x,y)=49\,e^{7x}\,\cos(7y)-49\,e^{7x}\,\cos(7y)=0 and e7x cos⁡(7y)e^{7x}\,\cos(7y) is harmonic.

(e) If u(x,y)=ln⁡(x2+y2)u(x,y) = \ln(x^2+y^2), then

ux=2xx2+y2uxx=2x2+y2−4x2(x2+y2)2uy=2yx2+y2uyy=2x2+y2−4y2(x2+y2)2\begin{aligned} u_x&= \frac{2x}{x^2+y^2} \qquad& u_{xx}&= \frac{2}{x^2+y^2}- \frac{4x^2}{{(x^2+y^2)}^2}\\ u_y&= \frac{2y}{x^2+y^2} \qquad& u_{yy}&= \frac{2}{x^2+y^2}- \frac{4y^2}{{(x^2+y^2)}^2} \end{aligned}

So

uxx(x,y)+uyy(x,y)=2x2+y2−4x2(x2+y2)2+2x2+y2−4y2(x2+y2)2=4x2+y2−4x2+y2(x2+y2)2=4x2+y2−4x2+y2=0\begin{aligned} u_{xx}(x,y)+u_{yy}(x,y)&=\frac{2}{x^2+y^2}- \frac{4x^2}{{(x^2+y^2)}^2} +\frac{2}{x^2+y^2}- \frac{4y^2}{{(x^2+y^2)}^2} \\ &=\frac{4}{x^2+y^2} - 4\frac{x^2+y^2}{{(x^2+y^2)}^2} \\ &=\frac{4}{x^2+y^2}-\frac{4}{x^2+y^2} \\ &=0 \end{aligned}

and ln⁡(x2+y2)\ln(x^2+y^2) is harmonic.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.8절 · 13번
# 편미분방정식 맛보기계산보통자동 분류
2.CLP-3 · 2.8절 · 4번대학 수준우리말 번역

u(x,t)=et+ax+et−axu(x,t) = e^{t+ax} + e^{t-ax} 라 하자. 여기서 aa 는 상수이다. 5ut=uxx+u5u_t = u_{xx} + u 를 만족시키는 aa 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let u(x,t)=et+ax+et−axu(x,t) = e^{t+ax} + e^{t-ax} where aa is a constant. Find aa such that 5ut=uxx+u5u_t = u_{xx} + u.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

u=u(x,t)=et+ax+et−axu=u(x,t) = e^{t+ax} + e^{t-ax} 일 때, 주어진 편미분방정식의 양변을 각각 계산한다. 다음이 성립하므로

u(x,t)=et+ax+et−axut(x,t)=et+ax+et−axux(x,t)=aet+ax−aet−axuxx(x,t)=a2et+ax+a2et−ax\begin{aligned} u(x,t) &= e^{t+ax} + e^{t-ax} \\ u_t(x,t) &= e^{t+ax} + e^{t-ax} \\ u_x(x,t) &= ae^{t+ax} - ae^{t-ax}\qquad & u_{xx}(x,t) &= a^2e^{t+ax} + a^2e^{t-ax} \end{aligned}

편미분방정식의 좌변은

5ut=5et+ax+5et−ax5u_t = 5e^{t+ax} + 5e^{t-ax}

이고, 편미분방정식의 우변은

uxx+u=(a2et+ax+a2et−ax)+(et+ax+et−ax)=(a2+1)et+ax+(a2+1)et−ax\begin{aligned} u_{xx} + u &=\big(a^2e^{t+ax} + a^2e^{t-ax}\big)+\big(e^{t+ax} + e^{t-ax}\big) \\ &= (a^2+1)e^{t+ax} + (a^2+1)e^{t-ax} \end{aligned}

이다. 좌변과 우변이 같을 필요충분조건은

5=(a2+1)  ⟺  a2=4  ⟺  a=±2\begin{aligned} 5=(a^2+1) \iff a^2=4 \iff a=\pm 2 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

We evaluate both sides of the given PDE with u=u(x,t)=et+ax+et−axu=u(x,t) = e^{t+ax} + e^{t-ax}. Since

u(x,t)=et+ax+et−axut(x,t)=et+ax+et−axux(x,t)=aet+ax−aet−axuxx(x,t)=a2et+ax+a2et−ax\begin{aligned} u(x,t) &= e^{t+ax} + e^{t-ax} \\ u_t(x,t) &= e^{t+ax} + e^{t-ax} \\ u_x(x,t) &= ae^{t+ax} - ae^{t-ax}\qquad & u_{xx}(x,t) &= a^2e^{t+ax} + a^2e^{t-ax} \end{aligned}

the left hand side of the PDE is

5ut=5et+ax+5et−ax5u_t = 5e^{t+ax} + 5e^{t-ax}

and the right hand side of the PDE is

uxx+u=(a2et+ax+a2et−ax)+(et+ax+et−ax)=(a2+1)et+ax+(a2+1)et−ax\begin{aligned} u_{xx} + u &=\big(a^2e^{t+ax} + a^2e^{t-ax}\big)+\big(e^{t+ax} + e^{t-ax}\big) \\ &= (a^2+1)e^{t+ax} + (a^2+1)e^{t-ax} \end{aligned}

The left and right hand sides are equal if and only if

5=(a2+1)  ⟺  a2=4  ⟺  a=±2\begin{aligned} 5=(a^2+1) \iff a^2=4 \iff a=\pm 2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.8절 · 5번
# 편미분방정식 맛보기계산보통자동 분류
3.CLP-3 · 2.8절 · 5번대학 수준우리말 번역

u(x,y,z)=e3x+4ysin⁡(az)u(x,y,z) = e^{3x+4y}\sin(az) 라 하자. 여기서 aa 는 상수이다.

uxx+uyy+uzz=0u_{xx}+u_{yy}+u_{zz}=0

이 되도록 하는 aa 를 모두 구하세요.

영어 원문 보기

Let u(x,y,z)=e3x+4ysin⁡(az)u(x,y,z) = e^{3x+4y}\sin(az) where aa is a constant. Find all aa's such that

uxx+uyy+uzz=0u_{xx}+u_{yy}+u_{zz}=0

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

u=u(x,t)=e3x+4ysin⁡(az)u=u(x,t) = e^{3x+4y}\sin(az) 일 때, uxx+uyy+uzzu_{xx}+u_{yy}+u_{zz} 를 계산한다. 다음과 같으므로

u(x,y,z)=e3x+4ysin⁡(az)ux(x,y,z)=3 e3x+4ysin⁡(az)uxx(x,y,z)=9 e3x+4ysin⁡(az)uy(x,y,z)=4 e3x+4ysin⁡(az)uyy(x,y,z)=16 e3x+4ysin⁡(az)uz(x,y,z)=a e3x+4ycos⁡(az)uzz(x,y,z)=−a2 e3x+4ysin⁡(az)\begin{aligned} u(x,y,z) &= e^{3x+4y}\sin(az)\\ u_x(x,y,z) &= 3\,e^{3x+4y}\sin(az)\qquad & u_{xx}(x,y,z) &= 9\,e^{3x+4y}\sin(az) \\ u_y(x,y,z) &= 4\,e^{3x+4y}\sin(az)\qquad & u_{yy}(x,y,z) &= 16\,e^{3x+4y}\sin(az) \\ u_z(x,y,z) &= a\,e^{3x+4y}\cos(az)\qquad & u_{zz}(x,y,z) &= -a^2\,e^{3x+4y}\sin(az) \end{aligned}

다음을 얻는다.

uxx+uyy+uzz=(9+16−a2)e3x+4ysin⁡(az)u_{xx}+u_{yy}+u_{zz} = \big(9+16-a^2) e^{3x+4y}\sin(az)

이 값이 (모든 xx, yy, zz 에 대해) 0 일 필요충분조건은

a2=9+16=25  ⟺  a=±5\begin{aligned} a^2=9+16=25 \iff a=\pm 5 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

We evaluate uxx+uyy+uzzu_{xx}+u_{yy}+u_{zz} with u=u(x,t)=e3x+4ysin⁡(az)u=u(x,t) = e^{3x+4y}\sin(az). Since

u(x,y,z)=e3x+4ysin⁡(az)ux(x,y,z)=3 e3x+4ysin⁡(az)uxx(x,y,z)=9 e3x+4ysin⁡(az)uy(x,y,z)=4 e3x+4ysin⁡(az)uyy(x,y,z)=16 e3x+4ysin⁡(az)uz(x,y,z)=a e3x+4ycos⁡(az)uzz(x,y,z)=−a2 e3x+4ysin⁡(az)\begin{aligned} u(x,y,z) &= e^{3x+4y}\sin(az)\\ u_x(x,y,z) &= 3\,e^{3x+4y}\sin(az)\qquad & u_{xx}(x,y,z) &= 9\,e^{3x+4y}\sin(az) \\ u_y(x,y,z) &= 4\,e^{3x+4y}\sin(az)\qquad & u_{yy}(x,y,z) &= 16\,e^{3x+4y}\sin(az) \\ u_z(x,y,z) &= a\,e^{3x+4y}\cos(az)\qquad & u_{zz}(x,y,z) &= -a^2\,e^{3x+4y}\sin(az) \end{aligned}

We have

uxx+uyy+uzz=(9+16−a2)e3x+4ysin⁡(az)u_{xx}+u_{yy}+u_{zz} = \big(9+16-a^2) e^{3x+4y}\sin(az)

This is zero (for all xx, yy, zz) if and only if

a2=9+16=25  ⟺  a=±5\begin{aligned} a^2=9+16=25 \iff a=\pm 5 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.8절 · 6번
# 편미분방정식 맛보기계산보통자동 분류
4.CLP-3 · 2.8절 · 6번대학 수준우리말 번역

u(x,t)=sin⁡(at) cos⁡(bx)u(x,t) = \sin(at)\,\cos(bx) 라 하자. 여기서 aa 와 bb 는 상수이다. utt=uxxu_{tt} = u_{xx} 를 만족하는 aa 와 bb 를 모두 구하세요.

영어 원문 보기

Let u(x,t)=sin⁡(at) cos⁡(bx)u(x,t) = \sin(at)\,\cos(bx) where aa and bb are constants. Find all aa's and bb's such that utt=uxxu_{tt} = u_{xx}.

정답·풀이 보기

u=u(x,t)=sin⁡(at) cos⁡(bx)u=u(x,t)=\sin(at)\,\cos(bx) 일 때 주어진 편미분방정식의 양변을 각각 계산한다. 다음이 성립하므로

u(x,t)=sin⁡(at) cos⁡(bx)ut(x,t)=a cos⁡(at) cos⁡(bx)utt(x,t)=−a2 sin⁡(at) cos⁡(bx)ux(x,t)=−b sin⁡(at) sin⁡(bx)uxx(x,t)=−b2sin⁡(at) cos⁡(bx)\begin{aligned} u(x,t) &= \sin(at)\,\cos(bx) \\ u_t(x,t) &= a\,\cos(at)\,\cos(bx) \qquad & u_{tt}(x,t) &= -a^2\,\sin(at)\,\cos(bx) \\ u_x(x,t) &= -b\,\sin(at)\,\sin(bx) \qquad & u_{xx}(x,t) &= -b^2\sin(at)\,\cos(bx) \end{aligned}

편미분방정식의 좌변은

utt=−a2 sin⁡(at) cos⁡(bx)u_{tt} = -a^2\,\sin(at)\,\cos(bx)

이고, 편미분방정식의 우변은

uxx=−b2 sin⁡(at) cos⁡(bx)\begin{aligned} u_{xx} &=-b^2\,\sin(at)\,\cos(bx) \end{aligned}

이다. 좌변과 우변이 같을 필요충분조건은

a2=b2  ⟺  a=±b\begin{aligned} a^2=b^2 \iff a=\pm b \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

We evaluate both sides of the given PDE with u=u(x,t)=sin⁡(at) cos⁡(bx)u=u(x,t)=\sin(at)\,\cos(bx). Since

u(x,t)=sin⁡(at) cos⁡(bx)ut(x,t)=a cos⁡(at) cos⁡(bx)utt(x,t)=−a2 sin⁡(at) cos⁡(bx)ux(x,t)=−b sin⁡(at) sin⁡(bx)uxx(x,t)=−b2sin⁡(at) cos⁡(bx)\begin{aligned} u(x,t) &= \sin(at)\,\cos(bx) \\ u_t(x,t) &= a\,\cos(at)\,\cos(bx) \qquad & u_{tt}(x,t) &= -a^2\,\sin(at)\,\cos(bx) \\ u_x(x,t) &= -b\,\sin(at)\,\sin(bx) \qquad & u_{xx}(x,t) &= -b^2\sin(at)\,\cos(bx) \end{aligned}

the left hand side of the PDE is

utt=−a2 sin⁡(at) cos⁡(bx)u_{tt} = -a^2\,\sin(at)\,\cos(bx)

and the right hand side of the PDE is

uxx=−b2 sin⁡(at) cos⁡(bx)\begin{aligned} u_{xx} &=-b^2\,\sin(at)\,\cos(bx) \end{aligned}

The left and right hand sides are equal if and only if

a2=b2  ⟺  a=±b\begin{aligned} a^2=b^2 \iff a=\pm b \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.8절 · 7번
# 편미분방정식 맛보기계산보통자동 분류