문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

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 · 7번대학 수준우리말 번역

F(u)F(u) 를 한 변수의 임의의 미분가능한 함수라 하자. z(x,y)=F(x2+y2)z(x,y)=F\big(x^2+y^2\big) 으로 정의한다. 편미분방정식

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

은 반드시 성립하는지 판단하세요. 답의 근거를 반드시 제시하세요.

영어 원문 보기

Let F(u)F(u) be any differentiable function of one variable. Define z(x,y)=F(x2+y2)z(x,y)=F\big(x^2+y^2\big). Is the partial differential equation

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

necessarily satisfied? You must justify your answer.

정답·풀이 보기

z=z(x,y)=F(x2+y2)z=z(x,y)=F\big(x^2+y^2\big) 일 때 좌변의 두 항을 각각 계산하면 된다. 연쇄 법칙에 의해

y∂z∂x=y∂∂xF(x2+y2)=yF′(x2+y2)∂∂x (x2+y2)=yF′(x2+y2)(2x)=2xy F′(x2+y2)x∂z∂y=x∂∂yF(x2+y2)=xF′(x2+y2)∂∂y (x2+y2)=xF′(x2+y2)(2y)=2xyF′(x2+y2)\begin{aligned} y\frac{\partial z}{\partial x}&= y\frac{\partial }{\partial x}F\big(x^2+y^2\big) =yF'\big(x^2+y^2\big) \frac{\partial }{\partial x}\,\big(x^2+y^2\big) =yF'\big(x^2+y^2\big)\left(2x\right) \\ &=2xy\,F'\big(x^2+y^2\big) \\ x\frac{\partial z}{\partial y}&= x\frac{\partial }{\partial y}F\big(x^2+y^2\big) =xF'\big(x^2+y^2\big) \frac{\partial }{\partial y}\,\big(x^2+y^2\big) =xF'\big(x^2+y^2\big)\left(2y\right) \\ &=2xyF'\big(x^2+y^2\big) \end{aligned}

이다. 따라서

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

이고, 미분가능한 모든 함수 FF 에 대해 z(x,y)=F(x2+y2)z(x,y)=F\big(x^2+y^2\big) 은 편미분방정식 y∂z∂x−x∂z∂y=0 y\frac{\partial z}{\partial x} - x\frac{\partial z}{\partial y}=0 의 해이다.

원본 교재 풀이(영어)

We simply evaluate the two terms on the left hand side when z=z(x,y)=F(x2+y2)z=z(x,y)=F\big(x^2+y^2\big). By the chain rule,

y∂z∂x=y∂∂xF(x2+y2)=yF′(x2+y2)∂∂x (x2+y2)=yF′(x2+y2)(2x)=2xy F′(x2+y2)x∂z∂y=x∂∂yF(x2+y2)=xF′(x2+y2)∂∂y (x2+y2)=xF′(x2+y2)(2y)=2xyF′(x2+y2)\begin{aligned} y\frac{\partial z}{\partial x}&= y\frac{\partial }{\partial x}F\big(x^2+y^2\big) =yF'\big(x^2+y^2\big) \frac{\partial }{\partial x}\,\big(x^2+y^2\big) =yF'\big(x^2+y^2\big)\left(2x\right) \\ &=2xy\,F'\big(x^2+y^2\big) \\ x\frac{\partial z}{\partial y}&= x\frac{\partial }{\partial y}F\big(x^2+y^2\big) =xF'\big(x^2+y^2\big) \frac{\partial }{\partial y}\,\big(x^2+y^2\big) =xF'\big(x^2+y^2\big)\left(2y\right) \\ &=2xyF'\big(x^2+y^2\big) \end{aligned}

So

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

and z(x,y)=F(x2+y2)z(x,y)=F\big(x^2+y^2\big) really does solve the PDE y∂z∂x−x∂z∂y=0 y\frac{\partial z}{\partial x} - x\frac{\partial z}{\partial y}=0 for any differentiable function FF.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.8절 · 1번
# 편미분방정식 맛보기증명·논술보통자동 분류
2.CLP-3 · 2.8절 · 9번대학 수준우리말 번역

u1(x,t)u_1(x,t) 와 u2(x,t)u_2(x,t) 가 모두 파동방정식 utt=uxxu_{tt}=u_{xx} 의 해이고, a1a_1 과 a2a_2 는 상수라 하자. u(x,t)=a1u1(x,t)+a2u2(t,x)u(x,t)=a_1u_1(x,t)+a_2u_2(t,x) 도 utt=uxxu_{tt}=u_{xx} 의 해임을 보이세요. 이 성질 때문에 파동방정식을 선형 편미분방정식이라고 한다.

영어 원문 보기

Let u1(x,t)u_1(x,t) and u2(x,t)u_2(x,t) both be solutions of the wave equation utt=uxxu_{tt}=u_{xx} and let a1a_1 and a2a_2 be constants. Show that u(x,t)=a1u1(x,t)+a2u2(t,x)u(x,t)=a_1u_1(x,t)+a_2u_2(t,x) is also a solution of utt=uxxu_{tt}=u_{xx}. Because of this property, the wave equation is said to be a linear PDE.

정답·풀이 보기

u1(x,t)u_1(x,t) 와 u2(x,t)u_2(x,t) 가 ∂2∂t2u1(x,t)=∂2∂x2u1(x,t)\frac{\partial^2}{\partial t^2}u_1(x,t) =\frac{\partial^2}{\partial x^2}u_1(x,t) 과 ∂2∂t2u2(x,t)=∂2∂x2u2(x,t)\frac{\partial^2}{\partial t^2}u_2(x,t) =\frac{\partial^2}{\partial x^2}u_2(x,t) 을 만족시킨다고 하자. 그러면 u(x,t)=a1u1(x,t)+a2u2(t,x)u(x,t)=a_1u_1(x,t)+a_2u_2(t,x) 는 다음을 만족시킨다.

utt(x,t)=∂2∂t2[a1u1(x,t)+a2u2(t,x)]=a1∂2∂t2u1(x,t)+a2∂2∂t2u2(x,t)=a1∂2∂x2u1(x,t)+a2∂2∂x2u2(x,t)=∂2∂x2[a1u1(x,t)+a2u2(t,x)]=uxx(x,t)\begin{aligned} u_{tt}(x,t) &= \frac{\partial^2}{\partial t^2} \big[a_1u_1(x,t)+a_2u_2(t,x)\big] \\ &=a_1\frac{\partial^2}{\partial t^2}u_1(x,t) + a_2\frac{\partial^2}{\partial t^2}u_2(x,t) \\ &=a_1\frac{\partial^2}{\partial x^2}u_1(x,t) + a_2\frac{\partial^2}{\partial x^2}u_2(x,t) \\ &= \frac{\partial^2}{\partial x^2}\big[a_1u_1(x,t)+a_2u_2(t,x)\big] \\ &=u_{xx}(x,t) \end{aligned}

따라서 보이려던 바가 성립한다.

원본 교재 풀이(영어)

Let u1(x,t)u_1(x,t) and u2(x,t)u_2(x,t) obey ∂2∂t2u1(x,t)=∂2∂x2u1(x,t)\frac{\partial^2}{\partial t^2}u_1(x,t) =\frac{\partial^2}{\partial x^2}u_1(x,t) and ∂2∂t2u2(x,t)=∂2∂x2u2(x,t)\frac{\partial^2}{\partial t^2}u_2(x,t) =\frac{\partial^2}{\partial x^2}u_2(x,t). Then u(x,t)=a1u1(x,t)+a2u2(t,x)u(x,t)=a_1u_1(x,t)+a_2u_2(t,x) obeys

utt(x,t)=∂2∂t2[a1u1(x,t)+a2u2(t,x)]=a1∂2∂t2u1(x,t)+a2∂2∂t2u2(x,t)=a1∂2∂x2u1(x,t)+a2∂2∂x2u2(x,t)=∂2∂x2[a1u1(x,t)+a2u2(t,x)]=uxx(x,t)\begin{aligned} u_{tt}(x,t) &= \frac{\partial^2}{\partial t^2} \big[a_1u_1(x,t)+a_2u_2(t,x)\big] \\ &=a_1\frac{\partial^2}{\partial t^2}u_1(x,t) + a_2\frac{\partial^2}{\partial t^2}u_2(x,t) \\ &=a_1\frac{\partial^2}{\partial x^2}u_1(x,t) + a_2\frac{\partial^2}{\partial x^2}u_2(x,t) \\ &= \frac{\partial^2}{\partial x^2}\big[a_1u_1(x,t)+a_2u_2(t,x)\big] \\ &=u_{xx}(x,t) \end{aligned}

as desired.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.8절 · 4번
# 편미분방정식 맛보기증명·논술보통자동 분류
3.CLP-3 · 2.8절 · 10번대학 수준우리말 번역

v(x,y)v(x,y) 를 조화함수라 하자. 즉, v(x,y)v(x,y) 는 vxx+vyy=0v_{xx}+v_{yy}=0 을 만족한다. aa, bb, cc, dd 는 상수라 하자. 벡터 <a,b>\left< a,b\right> 와 <c,d>\left< c,d\right> 의 길이가 같고 서로             ‾\underline{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ } (빈칸에 알맞은 말을 쓰세요) 이면, u(x,y)=v(ax+by , cx+dy)u(x,y)=v(ax+by\,,\,cx+dy) 도 조화함수임을 보이세요.

영어 원문 보기

Let v(x,y)v(x,y) be a harmonic function. That is, v(x,y)v(x,y) obeys vxx+vyy=0v_{xx}+v_{yy}=0. Let aa, bb, cc, dd be constants. Show that if the vectors <a,b>\left< a,b\right> and <c,d>\left< c,d\right> have the same length and are mutually             ‾\underline{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ } (fill in the missing word), then u(x,y)=v(ax+by , cx+dy)u(x,y)=v(ax+by\,,\,cx+dy) is also a harmonic function.

정답·풀이 보기

u(x,y)=v(ax+by , cx+dy)u(x,y)=v(ax+by\,,\,cx+dy) 에 대하여 uxx+uyyu_{xx}+u_{yy} 를 계산한다. 연쇄 법칙에 의해

u(x,y)=v(ax+by , cx+dy)ux(x,y)=a vx(ax+by , cx+dy)+c vy(ax+by , cx+dy)uy(x,y)=b vx(ax+by , cx+dy)+d vy(ax+by , cx+dy)uxx(x,y)=a2 vxx(ax+by , cx+dy)+ac vxy(ax+by , cx+dy)+ca vyx(ax+by , cx+dy)+c2 vyy(ax+by , cx+dy)uyy(x,y)=b2 vxx(ax+by , cx+dy)+bd vxy(ax+by , cx+dy)+db vyx(ax+by , cx+dy)+d2 vyy(ax+by , cx+dy)\begin{aligned} u(x,y) &= v(ax+by\,,\,cx+dy)\\ u_x(x,y) &= a\,v_x(ax+by\,,\,cx+dy)+c\,v_y(ax+by\,,\,cx+dy) \\ u_y(x,y) &= b\,v_x(ax+by\,,\,cx+dy)+d\,v_y(ax+by\,,\,cx+dy) \\ u_{xx}(x,y) &= a^2\,v_{xx}(ax+by\,,\,cx+dy)+ ac\,v_{xy}(ax+by\,,\,cx+dy) \\ & + ca\,v_{yx}(ax+by\,,\,cx+dy) +c^2\,v_{yy}(ax+by\,,\,cx+dy) \\ u_{yy}(x,y) &= b^2\,v_{xx}(ax+by\,,\,cx+dy)+ bd\,v_{xy}(ax+by\,,\,cx+dy) \\ & + db\,v_{yx}(ax+by\,,\,cx+dy) +d^2\,v_{yy}(ax+by\,,\,cx+dy) \end{aligned}

이므로 다음을 얻는다.

uxx+uyy=(a2+b2)vxx(ax+by , cx+dy)+(c2+d2)vyy(ax+by , cx+dy)+2(ac+bd)vxy(ax+by , cx+dy)\begin{aligned} u_{xx}+u_{yy} &=(a^2+b^2) v_{xx}(ax+by\,,\,cx+dy) +(c^2+d^2) v_{yy}(ax+by\,,\,cx+dy) \\& +2(ac+bd) v_{xy}(ax+by\,,\,cx+dy) \end{aligned}

  • a2+b2=c2+d2a^2+b^2=c^2+d^2 이면, 즉 <a,b>\left< a,b\right> 와 <c,d>\left< c,d\right> 의 길이가 같으면, vxx+vyy=0v_{xx}+v_{yy}=0 이므로 우변의 첫째 줄은 0이다.
  • <a,b>⋅<c,d>=ac+bd=0\left< a,b\right>\cdot\left< c,d\right>=ac+bd=0 이면, 즉 <a,b>\left< a,b\right> 와 <c,d>\left< c,d\right> 가 서로 수직이면, 우변의 둘째 줄은 0이다.

따라서 <a,b>\left< a,b\right> 와 <c,d>\left< c,d\right> 의 길이가 같고 서로 수직이면 uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy}=0 이다. 빈칸에 알맞은 말은 “수직”이다.

원본 교재 풀이(영어)

We evaluate uxx+uyyu_{xx}+u_{yy} with u(x,y)=v(ax+by , cx+dy)u(x,y)=v(ax+by\,,\,cx+dy). Since, by the chain rule,

u(x,y)=v(ax+by , cx+dy)ux(x,y)=a vx(ax+by , cx+dy)+c vy(ax+by , cx+dy)uy(x,y)=b vx(ax+by , cx+dy)+d vy(ax+by , cx+dy)uxx(x,y)=a2 vxx(ax+by , cx+dy)+ac vxy(ax+by , cx+dy)+ca vyx(ax+by , cx+dy)+c2 vyy(ax+by , cx+dy)uyy(x,y)=b2 vxx(ax+by , cx+dy)+bd vxy(ax+by , cx+dy)+db vyx(ax+by , cx+dy)+d2 vyy(ax+by , cx+dy)\begin{aligned} u(x,y) &= v(ax+by\,,\,cx+dy)\\ u_x(x,y) &= a\,v_x(ax+by\,,\,cx+dy)+c\,v_y(ax+by\,,\,cx+dy) \\ u_y(x,y) &= b\,v_x(ax+by\,,\,cx+dy)+d\,v_y(ax+by\,,\,cx+dy) \\ u_{xx}(x,y) &= a^2\,v_{xx}(ax+by\,,\,cx+dy)+ ac\,v_{xy}(ax+by\,,\,cx+dy) \\ & + ca\,v_{yx}(ax+by\,,\,cx+dy) +c^2\,v_{yy}(ax+by\,,\,cx+dy) \\ u_{yy}(x,y) &= b^2\,v_{xx}(ax+by\,,\,cx+dy)+ bd\,v_{xy}(ax+by\,,\,cx+dy) \\ & + db\,v_{yx}(ax+by\,,\,cx+dy) +d^2\,v_{yy}(ax+by\,,\,cx+dy) \end{aligned}

we have

uxx+uyy=(a2+b2)vxx(ax+by , cx+dy)+(c2+d2)vyy(ax+by , cx+dy)+2(ac+bd)vxy(ax+by , cx+dy)\begin{aligned} u_{xx}+u_{yy} &=(a^2+b^2) v_{xx}(ax+by\,,\,cx+dy) +(c^2+d^2) v_{yy}(ax+by\,,\,cx+dy) \\& +2(ac+bd) v_{xy}(ax+by\,,\,cx+dy) \end{aligned}

  • If a2+b2=c2+d2a^2+b^2=c^2+d^2, i.e. if <a,b>\left< a,b\right> and <c,d>\left< c,d\right> have the same length, then the first line of the right hand side is zero, since vxx+vyy=0v_{xx}+v_{yy}=0.
  • If <a,b>⋅<c,d>=ac+bd=0\left< a,b\right>\cdot\left< c,d\right>=ac+bd=0, i.e. if <a,b>\left< a,b\right> and <c,d>\left< c,d\right> are mutally perpendicular, then the second line of the right hand side is zero.

So if <a,b>\left< a,b\right> and <c,d>\left< c,d\right> have the same length and are mutally perpendicular, then uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy}=0. The missing word is “perpendicular”.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.8절 · 9번
# 편미분방정식 맛보기증명·논술보통자동 분류
4.CLP-3 · 2.8절 · 13번대학 수준우리말 번역

u(x,y)u(x,y) 가 편미분방정식

α(x,y) ux(x,y)+β(x,y) uy(x,y)=0\alpha (x,y)\,u_x(x,y) +\beta (x,y)\,u_y(x,y)=0

을 만족한다고 하자. 여기서 α(x,y)\alpha (x,y) 와 β(x,y)\beta (x,y) 는 주어진 함수이다. (X(t),Y(t))\big(X(t),Y(t)\big) 를 xyxy 평면 위의 곡선(이러한 곡선을 이 편미분방정식의 특성곡선이라고 한다.)이라 하고, 이 곡선이

dXdt(t)=α(X(t),Y(t))dYdt(t)=β(X(t),Y(t))\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}X}{\mathrm{d}t}(t)&=\alpha \big(X(t),Y(t)\big) \\ \frac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}t}(t)&=\beta \big(X(t),Y(t)\big) \end{aligned}

을 만족한다고 하자. uu 가 그 곡선을 따라 상수임을 보이세요. 즉, u(X(t),Y(t))u\big(X(t),Y(t)\big) 가 tt 에 무관함을 보이세요.

영어 원문 보기

Suppose that u(x,y)u(x,y) obeys the PDE

α(x,y) ux(x,y)+β(x,y) uy(x,y)=0\alpha (x,y)\,u_x(x,y) +\beta (x,y)\,u_y(x,y)=0

where α(x,y)\alpha (x,y) and β(x,y)\beta (x,y) are given functions. Let (X(t),Y(t))\big(X(t),Y(t)\big) be a curve (Such curves are called characteristics of the PDE.) in the xyxy-plane that obeys

dXdt(t)=α(X(t),Y(t))dYdt(t)=β(X(t),Y(t))\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}X}{\mathrm{d}t}(t)&=\alpha \big(X(t),Y(t)\big) \\ \frac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}t}(t)&=\beta \big(X(t),Y(t)\big) \end{aligned}

Show that uu is constant along that curve. That is, show that u(X(t),Y(t))u\big(X(t),Y(t)\big) is independent of tt.

정답·풀이 보기

연쇄 법칙에 의해

ddtu(X(t),Y(t))=ux(X(t),Y(t)) dXdt(t)+uy(X(t),Y(t)) dYdt(t)=α(X(t),Y(t)) ux(X(t),Y(t))+β(X(t),Y(t)) uy(X(t),Y(t))\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}u\big(X(t),Y(t)\big) &=u_x\big(X(t),Y(t)\big)\,\frac{\mathrm{d}X}{\mathrm{d}t}(t) +u_y\big(X(t),Y(t)\big)\,\frac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}t}(t) \\ &=\alpha \big(X(t),Y(t)\big)\, u_x\big(X(t),Y(t)\big) +\beta \big(X(t),Y(t)\big)\, u_y\big(X(t),Y(t)\big) \end{aligned}

그런데 α(x,y) ux(x,y)+β(x,y) uy(x,y)=0\alpha (x,y)\,u_x(x,y) +\beta (x,y)\,u_y(x,y)=0 에 x=X(t)x=X(t), y=Y(t)y=Y(t) 를 대입하면

α(X(t),Y(t)) ux(X(t),Y(t))+β(X(t),Y(t)) uy(X(t),Y(t))=0\alpha \big(X(t),Y(t)\big)\, u_x\big(X(t),Y(t)\big) +\beta \big(X(t),Y(t)\big)\, u_y\big(X(t),Y(t)\big) =0

이므로

ddtu(X(t),Y(t))=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}u\big(X(t),Y(t)\big)=0

이다.

원본 교재 풀이(영어)

By the chain rule,

ddtu(X(t),Y(t))=ux(X(t),Y(t)) dXdt(t)+uy(X(t),Y(t)) dYdt(t)=α(X(t),Y(t)) ux(X(t),Y(t))+β(X(t),Y(t)) uy(X(t),Y(t))\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}u\big(X(t),Y(t)\big) &=u_x\big(X(t),Y(t)\big)\,\frac{\mathrm{d}X}{\mathrm{d}t}(t) +u_y\big(X(t),Y(t)\big)\,\frac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}t}(t) \\ &=\alpha \big(X(t),Y(t)\big)\, u_x\big(X(t),Y(t)\big) +\beta \big(X(t),Y(t)\big)\, u_y\big(X(t),Y(t)\big) \end{aligned}

But evaluating α(x,y) ux(x,y)+β(x,y) uy(x,y)=0\alpha (x,y)\,u_x(x,y) +\beta (x,y)\,u_y(x,y)=0 at x=X(t)x=X(t), y=Y(t)y=Y(t) gives

α(X(t),Y(t)) ux(X(t),Y(t))+β(X(t),Y(t)) uy(X(t),Y(t))=0\alpha \big(X(t),Y(t)\big)\, u_x\big(X(t),Y(t)\big) +\beta \big(X(t),Y(t)\big)\, u_y\big(X(t),Y(t)\big) =0

so

ddtu(X(t),Y(t))=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}u\big(X(t),Y(t)\big)=0

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.8절 · 11번
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