문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

편미분방정식 맛보기

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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 문제CLP-3 · 2.8절 · 13번우리말 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.

다 풀었으면 정답 확인

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.

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