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L26 · 변수분리로 편미분방정식 풀기

Arfken 7판 9장 (1계 PDE와 특성곡선, 2계 PDE 분류, 변수분리, 라플라스 방정식, 열(확산) 방정식, 파동방정식과 달랑베르 해 — 직교·극·구면·원통 좌표)

이 레슨이 끝나면 할 수 있는 계산
  1. 편미분방정식(PDE, partial differential equation)을 곱 형태로 가정해 상미분방정식(ODE) 여러 개로 쪼개기
  2. 값이 0인 경계조건에서 고유값과 고유함수 구하기
  3. 사각판의 라플라스 방정식, 막대의 열방정식, 현의 파동방정식을 급수해로 풀기
  4. 원판(극좌표), 구(르장드르 다항식), 원통(베셀 함수) 경계값 문제 풀기
  5. 남은 조건(초기조건, 한 변의 경계값)에서 직교성으로 계수 구하기
  6. 경계 온도가 0이 아닌 열방정식을 정상상태 + 과도해로 풀기
  7. 달랑베르 공식으로 무한히 긴 현의 파동 풀기
  8. 1계 PDE를 특성곡선법으로 풀기
  9. 2계 PDE를 타원·포물·쌍곡형으로 분류하고 특성선 구하기

0. 외워 둘 공식

앞 레슨(L16 2계 ODE, L18 푸리에 급수, L21 르장드르, L23 베셀)에서 쓸 결과만 여기 다시 모읍니다.

분리하면 나오는 ODE와 그 해

분리된 방정식해쓰는 곳
$X''=-k^2X$$\sin kx,\ \cos kx$양 끝 경계값이 0인 방향
$X''=+k^2X$$\sinh kx,\ \cosh kx$ (또는 $e^{\pm kx}$)라플라스 방정식의 나머지 방향
$X''=0$$A+Bx$분리상수가 0일 때
$T'=-\kappa k^2T$$e^{-\kappa k^2t}$열방정식의 시간
$T''=-c^2k^2T$$\cos ckt,\ \sin ckt$파동방정식의 시간
$\Phi''=-m^2\Phi$$\cos m\varphi,\ \sin m\varphi$ ($m=0,1,2,\dots$)극·원통 좌표의 각도
$r^2R''+rR'-m^2R=0$$r^m,\ r^{-m}$ ($m=0$이면 $1,\ \ln r$)2D 극좌표 지름 방향
$r^2R''+2rR'-l(l+1)R=0$$r^l,\ r^{-l-1}$구면 지름 방향
르장드르 방정식$P_l(\cos\theta)$구면, 방위대칭($\varphi$ 무관)
$r^2R''+rR'+(k^2r^2-m^2)R=0$$J_m(kr)$ ($Y_m$은 원점에서 발산)원통 지름 방향

고유함수와 계수 공식 ($0<x<L$)

경계조건고유함수, 고유값계수
$X(0)=X(L)=0$ (디리클레, Dirichlet)$\sin\frac{n\pi x}{L}$, $k_n=\frac{n\pi}{L}$, $n=1,2,\dots$$b_n=\frac2L\int_0^Lf\sin\frac{n\pi x}{L}\,dx$
$X'(0)=X'(L)=0$ (노이만, Neumann)$1,\ \cos\frac{n\pi x}{L}$, $k_n=\frac{n\pi}{L}$, $n=0,1,\dots$$A_0=\frac1L\int_0^Lf\,dx$, $A_n=\frac2L\int_0^Lf\cos\frac{n\pi x}{L}\,dx$

제일 자주 쓰는 적분: $\displaystyle\frac2L\int_0^L\sin\frac{n\pi x}{L}\,dx=\frac{2(1-(-1)^n)}{n\pi}$, 즉 홀수 $n$이면 $\dfrac{4}{n\pi}$, 짝수 $n$이면 $0$.

그리고 $\displaystyle\sum_{n\ \text{홀수}}\frac1{n^2}=\frac{\pi^2}{8}$ (검산에 자주 씀).

관례 — 상수항 이 레슨은 코사인 급수의 상수항을 $A_0=\frac1L\int_0^Lf\,dx$ (평균값)로 따로 씁니다. 푸리에 급수를 $\frac{a_0}{2}+\sum a_n\cos\cdots$로 쓰는 관례라면 $A_0=\frac{a_0}{2}$로 같은 값입니다. 원판 문제의 $A_0=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}f\,d\varphi$도 같은 뜻입니다.

3·5·9·10절에서 쓰는 공식

상황공식
경계 온도 $T_1$, $T_2$ (3절)$u=u_s(x)+v(x,t)$, $u_s=T_1+(T_2-T_1)\frac xL$, $v$는 경계값 0
달랑베르(d'Alembert) (5절)$u=\dfrac{f(x-ct)+f(x+ct)}{2}+\dfrac1{2c}\displaystyle\int_{x-ct}^{x+ct}g\,ds$
1계 PDE $au_x+bu_y=c$ (9절)$\dfrac{dx}{a}=\dfrac{dy}{b}=\dfrac{du}{c}$
$Au_{xx}+Bu_{xy}+Cu_{yy}$ (10절)$B^2-4AC$: $<0$ 타원, $=0$ 포물, $>0$ 쌍곡

라플라시안(Laplacian)

르장드르·베셀 요약

1. 공통 레시피와 직교좌표 라플라스 방정식

변수분리 5단계
  1. 곱 형태 가정. $u=X(x)Y(y)$ (시간이 있으면 $X(x)T(t)$ 등)를 PDE에 넣습니다.
  2. 나눠서 분리상수 도입. 양변을 $u$로 나누면 한쪽은 $x$만, 다른 쪽은 $y$만의 식이 됩니다. 둘 다 같은 상수여야 합니다. 이 상수가 분리상수(separation constant)입니다.
    부호 요령: 양 끝 경계값이 모두 0인 방향이 진동하도록($\sin,\cos$) 부호를 고릅니다. 그 방향의 식을 $X''=-k^2X$로 씁니다. $\sinh$는 두 점에서 동시에 0이 될 수 없기 때문입니다.
  3. 동차 경계조건으로 고유값. 값이 0인 경계조건만 써서 $k_n$과 고유함수를 구합니다.
  4. 나머지 방향을 풀고 중첩. 다른 방향의 ODE를 풀고, 그 방향의 0 조건도 적용합니다. 그다음 모두 더합니다(중첩, superposition): $u=\sum_n c_nX_nY_n$.
  5. 직교성으로 계수. 남은 비동차 조건(초기조건, 0이 아닌 한 변의 경계값)에 넣고, 고유함수의 직교성(orthogonality)으로 $c_n$을 구합니다.
0이 아닌 경계가 두 변 이상이면, 한 변만 0이 아닌 문제로 나눠서 각각 풀고 더합니다.
왜 되나? (증명 스케치)

왜 상수인가. $X''Y+XY''=0$을 $XY$로 나누면 $\dfrac{X''(x)}{X(x)}=-\dfrac{Y''(y)}{Y(y)}$입니다. 왼쪽은 $x$만, 오른쪽은 $y$만의 함수입니다. $y$를 고정하고 $x$만 움직여도 등식이 유지되려면 왼쪽 값이 변하면 안 됩니다. 그래서 왼쪽은 상수이고, 오른쪽도 같은 상수입니다.

왜 부호가 정해지나. $X''=\mu X$, $X(0)=X(a)=0$에 $X$를 곱해 적분하고 부분적분하면 $\mu\int_0^aX^2dx=-\int_0^aX'^2dx<0$입니다(경계항 $[XX']=0$). 그래서 $\mu=-k^2<0$, 즉 진동하는 해만 가능합니다(L25 2절 상자와 같은 계산).

왜 더해도 되나. 방정식과 0인 경계조건이 선형·동차라서 해 두 개의 합도 해입니다. 그래서 $\sum c_nX_nY_n$도 해이고, 남은 비동차 조건 하나만 계수로 맞추면 됩니다. 0이 아닌 변이 둘이면 나눠 푼 두 해를 더해도 각 변의 값이 그대로 맞습니다.

곱 꼴 해의 합으로 모든 해를 얻을 수 있다는 것은 고유함수의 완비성(completeness)이 필요해서 생략합니다.

예제 1-1 사각판 $0<x<a$, $0<y<b$에서 $\nabla^2u=0$. 윗변 $u(x,b)=V_0$, 나머지 세 변은 0.

① $u=X(x)Y(y)$를 넣으면 $X''Y+XY''=0$.

② $u$로 나누면 $\dfrac{X''}{X}=-\dfrac{Y''}{Y}$. $x$ 방향은 $x=0$, $x=a$ 둘 다 0이므로 $x$를 진동시킵니다:

$$\frac{X''}{X}=-k^2,\qquad \frac{Y''}{Y}=+k^2.$$

③ $X''+k^2X=0$, $X(0)=0$ 이므로 $X=\sin kx$. $X(a)=0$ 에서 $\sin ka=0$, 즉 $k_n=\dfrac{n\pi}{a}$ ($n=1,2,\dots$).

④ $Y''=k_n^2Y$ 이므로 $Y=A\cosh k_ny+B\sinh k_ny$. $Y(0)=0$ 에서 $A=0$. 중첩하면

$$u=\sum_{n=1}^\infty c_n\sin\frac{n\pi x}{a}\sinh\frac{n\pi y}{a}.$$

⑤ $y=b$에 넣으면 $V_0=\sum_n\Big[c_n\sinh\frac{n\pi b}{a}\Big]\sin\frac{n\pi x}{a}$. 대괄호가 상수 $V_0$의 사인 계수입니다.

$$\begin{aligned}c_n\sinh\frac{n\pi b}{a}&=\frac2a\int_0^aV_0\sin\frac{n\pi x}{a}\,dx\\&=\frac{2V_0}{a}\cdot\frac{a}{n\pi}\Big[-\cos\frac{n\pi x}{a}\Big]_0^a\\&=\frac{2V_0}{n\pi}\big(1-(-1)^n\big)\\&=\begin{cases}\dfrac{4V_0}{n\pi}&n\ \text{홀수}\\0&n\ \text{짝수}\end{cases}\end{aligned}$$

따라서 $c_n=\dfrac{4V_0}{n\pi\sinh(n\pi b/a)}$ (홀수 $n$)이고

$$\begin{aligned}u(x,y)&=\frac{4V_0}{\pi}\sum_{n=1,3,5,\dots}\frac1n\\&\qquad\times\frac{\sinh(n\pi y/a)}{\sinh(n\pi b/a)}\,\sin\frac{n\pi x}{a}.\end{aligned}$$

수치 확인 (정사각형 $a=b$, 중심): 네 변이 모두 $V_0$이면 $u\equiv V_0$이므로, 대칭에 의해 한 변만 $V_0$일 때 중심 값은 $V_0/4$입니다. 부분합은 $n=1$까지 $0.25372V_0$, $n=3$까지 $0.24990V_0$, $n=5$까지 $0.25000V_0$로 빠르게 맞습니다.

2. 1차원 열방정식

레시피 $u_t=\kappa u_{xx}$, $0<x<L$, 초기온도 $u(x,0)=f(x)$
  1. $u=X(x)T(t)$ → $\dfrac{T'}{\kappa T}=\dfrac{X''}{X}=-k^2$. 부호를 $-k^2$로 고르면 시간에 따라 감쇠하고 $x$ 방향은 진동합니다.
  2. 양 끝 0도 ($u(0,t)=u(L,t)=0$): $$\begin{aligned}u&=\sum_{n=1}^\infty b_n\sin\frac{n\pi x}{L}\,e^{-\kappa(n\pi/L)^2t},\\b_n&=\frac2L\int_0^Lf(x)\sin\frac{n\pi x}{L}\,dx.\end{aligned}$$
  3. 양 끝 단열 ($u_x(0,t)=u_x(L,t)=0$): $$u=A_0+\sum_{n=1}^\infty A_n\cos\frac{n\pi x}{L}\,e^{-\kappa(n\pi/L)^2t}.$$ $t\to\infty$에서 $u\to A_0$, 즉 처음 온도의 평균입니다(열이 빠져나가지 않으므로).
  4. $f$가 고유함수 몇 개의 합이면 적분하지 말고 계수를 읽습니다. 예: $f=5\sin\frac{2\pi x}{L}$ 이면 $b_2=5$, 나머지 0. 답은 $u=5\sin\frac{2\pi x}{L}\,e^{-4\pi^2\kappa t/L^2}$ 로 끝입니다.
왜 되나? (증명 스케치)

계수 공식. $t=0$에서 $f(x)=\sum_nb_n\sin\frac{n\pi x}{L}$입니다. 양변에 $\sin\frac{m\pi x}{L}$을 곱해 $0$부터 $L$까지 적분하면, 직교성 $\int_0^L\sin\frac{n\pi x}{L}\sin\frac{m\pi x}{L}dx=\frac L2\delta_{nm}$ 때문에 $n=m$ 항만 남습니다: $\int_0^Lf\sin\frac{m\pi x}{L}dx=\frac L2b_m$.

단열이면 평균으로 가는 이유. 총열량 $\int_0^Lu\,dx$를 시간으로 미분하면 $\int_0^L\kappa u_{xx}dx=\kappa\big[u_x\big]_0^L=0$입니다. 총열량이 보존되고 온도는 결국 균일해지므로, 그 값은 처음 온도의 평균입니다.

높은 모드가 빨리 사라지는 이유. 감쇠율 $\kappa(n\pi/L)^2$이 $n^2$에 비례합니다. 잘게 출렁이는 분포일수록 곡률 $u_{xx}$가 커서 빨리 평평해집니다.

예제 2-1 양 끝 0도, 처음 온도가 균일하게 $f(x)=T_0$

계수:

$$\begin{aligned}b_n&=\frac{2T_0}{L}\int_0^L\sin\frac{n\pi x}{L}\,dx\\&=\frac{2T_0}{n\pi}\big(1-(-1)^n\big)\\&=\frac{4T_0}{n\pi}\ (n\ \text{홀수}),\quad 0\ (n\ \text{짝수}).\end{aligned}$$

해:

$$\begin{aligned}u(x,t)&=\frac{4T_0}{\pi}\sum_{n=1,3,5,\dots}\frac1n\sin\frac{n\pi x}{L}\\&\qquad\times e^{-n^2\pi^2\kappa t/L^2}.\end{aligned}$$

$n=3$ 항은 $n=1$ 항보다 $9$배 빨리 감쇠합니다. 그래서 조금만 지나면 첫 항만 남습니다: $u(L/2,t)\approx\dfrac{4T_0}{\pi}e^{-\pi^2\kappa t/L^2}$.

$t=0$에서는 급수가 느리게 수렴합니다(양 끝에서 $T_0$과 $0$이 어긋나기 때문). $t>0$이면 지수 인자 때문에 빠르게 수렴합니다.

예제 2-2 양 끝 단열, 처음 온도 $f(x)=T_0\dfrac xL$

상수항(평균):

$$A_0=\frac1L\int_0^LT_0\frac xL\,dx=\frac{T_0}{2}.$$

코사인 계수. $s=\frac{n\pi x}{L}$로 치환하면 $dx=\frac{L}{n\pi}ds$ 이고

$$\begin{aligned}A_n&=\frac2L\int_0^LT_0\frac xL\cos\frac{n\pi x}{L}\,dx\\&=\frac{2T_0}{n^2\pi^2}\int_0^{n\pi}s\cos s\,ds\\&=\frac{2T_0}{n^2\pi^2}\Big[s\sin s+\cos s\Big]_0^{n\pi}\\&=\frac{2T_0}{n^2\pi^2}\big((-1)^n-1\big).\end{aligned}$$

홀수 $n$이면 $A_n=-\dfrac{4T_0}{n^2\pi^2}$, 짝수 $n$이면 0입니다.

$$\begin{aligned}u(x,t)&=\frac{T_0}{2}-\frac{4T_0}{\pi^2}\sum_{n=1,3,5,\dots}\frac1{n^2}\cos\frac{n\pi x}{L}\\&\qquad\times e^{-n^2\pi^2\kappa t/L^2}\\&\xrightarrow{t\to\infty}\ \frac{T_0}{2}.\end{aligned}$$

확인: $t=0$, $x=0$이면 $\frac{T_0}{2}-\frac{4T_0}{\pi^2}\cdot\frac{\pi^2}{8}=0=f(0)$.

3. 경계 온도가 0이 아닌 열방정식 — 정상상태 + 과도해

레시피 $u_t=\kappa u_{xx}$, $u(0,t)=T_1$, $u(L,t)=T_2$, $u(x,0)=f(x)$ (Arfken 9.7절 — 기억 기반, 미검증)
  1. 정상상태(steady state) $u_s(x)$: 시간 미분을 0으로 놓은 $u_s''=0$에 비동차 경계조건을 그대로 줍니다. → $u_s=T_1+(T_2-T_1)\dfrac xL$.
  2. 과도해(transient) $v=u-u_s$: $v_t=\kappa v_{xx}$, 경계값 0, 초기값 $v(x,0)=f(x)-u_s(x)$.
  3. $v$를 2절대로 풀고 더합니다. $$\begin{aligned}u&=u_s+\sum_nb_n\sin\frac{n\pi x}{L}\\&\qquad\times e^{-\kappa(n\pi/L)^2t},\\b_n&=\frac2L\int_0^L(f-u_s)\\&\qquad\times\sin\frac{n\pi x}{L}dx.\end{aligned}$$
  4. 변형: 한쪽 끝이 열 흐름 조건 $u_x(L,t)=G$이면 $u_s'(L)=G$로 정상상태를 정하고, 과도해에는 $v_x(L)=0$에 맞는 고유함수(연습문제 A2)를 씁니다. 일정한 열원이 있는 $u_t=\kappa u_{xx}+Q$이면 $u_s''=-Q/\kappa$로 정합니다.
  5. 경계값이 시간에 따라 변하면 이 방법만으로는 안 됩니다(이 레슨에서는 다루지 않습니다).
왜 되나? (증명 스케치)

$u=u_s+v$를 열방정식에 넣으면, $u_s$는 시간에 무관하고 $u_s''=0$이라 $v_t=\kappa v_{xx}$가 그대로 남습니다. 경계에서는 $v(0,t)=T_1-T_1=0$, $v(L,t)=T_2-T_2=0$입니다. 비동차인 부분을 $u_s$가 전부 떠맡았으므로 $v$는 2절의 동차 문제입니다. $t\to\infty$이면 $v\to0$이라 $u\to u_s$, 이름 그대로 정상상태입니다. 열원 $Q$가 있으면 $u_s''=-Q/\kappa$로 잡아서 $Q$를 $u_s$ 쪽에서 소비합니다.

예제 3-1 처음 온도 0인 막대, $t>0$에서 $u(0,t)=0$, $u(L,t)=T_0$

① 정상상태: $u_s''=0$, $u_s(0)=0$, $u_s(L)=T_0$ → $u_s=T_0\dfrac xL$.

② 과도해의 초기값: $v(x,0)=f-u_s=-T_0\dfrac xL$.

③ 사인 계수. $s=\frac{n\pi x}{L}$로 치환하고 $\int_0^{n\pi}s\sin s\,ds=\big[\sin s-s\cos s\big]_0^{n\pi}=-n\pi(-1)^n$을 씁니다.

$$\begin{aligned}b_n&=-\frac{2T_0}{L^2}\int_0^Lx\sin\frac{n\pi x}{L}dx\\&=-\frac{2T_0}{n^2\pi^2}\int_0^{n\pi}s\sin s\,ds\\&=\frac{2T_0(-1)^n}{n\pi}.\end{aligned}$$ $$\begin{aligned}u&=T_0\frac xL+\frac{2T_0}{\pi}\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^n}{n}\\&\qquad\times\sin\frac{n\pi x}{L}\,e^{-n^2\pi^2\kappa t/L^2}.\end{aligned}$$

확인: $t=0$, $x=\frac L2$이면 $\sin\frac{n\pi}2$ 때문에 홀수 $n$만 남습니다. $\frac{T_0}2+\frac{2T_0}\pi\big(-1+\frac13-\frac15+\cdots\big)=\frac{T_0}2-\frac{2T_0}\pi\cdot\frac\pi4=0$으로 처음 온도와 맞습니다.

수치 예: $t=0.1L^2/\kappa$, $x=\frac L2$이면 첫 항만으로 $u\approx\frac{T_0}2-\frac{2T_0}\pi e^{-0.1\pi^2}=0.26273T_0$입니다. $n=3$ 항은 $+3\times10^{-5}T_0$ 정도라, 더해도 $0.26276T_0$로 거의 같습니다.

4. 1차원 파동방정식 (양 끝 고정 현)

레시피 $u_{tt}=c^2u_{xx}$, $u(0,t)=u(L,t)=0$, 초기 변위 $u(x,0)=f(x)$, 초기 속도 $u_t(x,0)=g(x)$
  1. $u=X(x)T(t)$ → $\dfrac{T''}{c^2T}=\dfrac{X''}{X}=-k^2$ → $X=\sin\frac{n\pi x}{L}$, $T=\cos\omega_nt,\ \sin\omega_nt$, $\omega_n=\dfrac{n\pi c}{L}$.
  2. 중첩: $$u=\sum_{n}\sin\frac{n\pi x}{L}\big(a_n\cos\omega_nt+b_n\sin\omega_nt\big).$$
  3. $t=0$: $f=\sum a_n\sin\frac{n\pi x}{L}$ → $a_n=\dfrac2L\displaystyle\int_0^Lf\sin\frac{n\pi x}{L}dx$.
  4. $u_t$의 $t=0$: $g=\sum\omega_nb_n\sin\frac{n\pi x}{L}$ → $\omega_nb_n=\dfrac2L\displaystyle\int_0^Lg\sin\frac{n\pi x}{L}dx$. $\omega_n$으로 나누는 것을 잊지 마세요.
예제 4-1 가운데를 높이 $h$로 뜯은 현 (삼각형 초기 변위, 초기 속도 0) $$\begin{aligned}&f(x)=\begin{cases}\dfrac{2hx}{L}&0\le x\le\dfrac L2\\[4pt]\dfrac{2h(L-x)}{L}&\dfrac L2\le x\le L\end{cases}\\&g=0\ \Rightarrow\ b_n=0.\end{aligned}$$

먼저 $I=\displaystyle\int_0^{L/2}x\sin\frac{n\pi x}{L}dx$. $s=\frac{n\pi x}{L}$로 치환하고 $\int s\sin s\,ds=\sin s-s\cos s$를 쓰면

$$\begin{aligned}I&=\frac{L^2}{n^2\pi^2}\Big[\sin s-s\cos s\Big]_0^{n\pi/2}\\&=\frac{L^2}{n^2\pi^2}\Big(\sin\frac{n\pi}{2}-\frac{n\pi}{2}\cos\frac{n\pi}{2}\Big).\end{aligned}$$

뒤쪽 절반은 $x\to L-x$로 바꾸면 $\sin(n\pi-\theta)=-(-1)^n\sin\theta$ 이므로 $(-1)^{n+1}I$입니다. 합은 $\big(1+(-1)^{n+1}\big)I$ → 짝수 $n$이면 0, 홀수 $n$이면 $2I$. 홀수 $n$에서는 $\cos\frac{n\pi}{2}=0$ 이므로

$$\begin{aligned}a_n&=\frac2L\cdot\frac{2h}{L}\cdot2I=\frac{8h}{L^2}\cdot\frac{L^2}{n^2\pi^2}\sin\frac{n\pi}{2}\\&=\frac{8h}{n^2\pi^2}\sin\frac{n\pi}{2}.\end{aligned}$$ $$\begin{aligned}u=\frac{8h}{\pi^2}\Big[&\sin\frac{\pi x}{L}\cos\omega_1t\\&-\frac19\sin\frac{3\pi x}{L}\cos3\omega_1t\\&+\frac1{25}\sin\frac{5\pi x}{L}\cos5\omega_1t-\cdots\Big]\end{aligned}$$

확인: $t=0$, $x=\frac L2$에서 $\frac{8h}{\pi^2}\big(1+\frac19+\frac1{25}+\cdots\big)=\frac{8h}{\pi^2}\cdot\frac{\pi^2}{8}=h$. 짝수 배음이 없는 이유: 가운데가 짝수 모드의 마디(node)이기 때문입니다.

예제 4-2 평형 위치($f=0$)에서 판으로 쳐서 전체에 균일한 초기 속도 $g(x)=v_0$

$f=0$이므로 $a_n=0$. 속도 계수는

$$\begin{aligned}\omega_nb_n&=\frac{2v_0}{L}\int_0^L\sin\frac{n\pi x}{L}dx\\&=\frac{4v_0}{n\pi}\ \ (n\ \text{홀수})\\\Rightarrow\ b_n&=\frac{4v_0}{n\pi}\cdot\frac{L}{n\pi c}=\frac{4v_0L}{n^2\pi^2c}.\end{aligned}$$ $$u=\frac{4v_0L}{\pi^2c}\sum_{n=1,3,5,\dots}\frac1{n^2}\sin\frac{n\pi x}{L}\sin\frac{n\pi ct}{L}.$$

초기 변위와 초기 속도가 둘 다 있으면 예제 4-1형 해와 4-2형 해를 그냥 더합니다(선형).

5. 달랑베르 해 — 무한히 긴 현

레시피 $u_{tt}=c^2u_{xx}$, $-\infty<x<\infty$, $u(x,0)=f(x)$, $u_t(x,0)=g(x)$ (Arfken 9.6절 — 기억 기반, 미검증)
  1. 달랑베르 해(d'Alembert's solution): $$\begin{aligned}u&=\tfrac12\big[f(x-ct)\\&\qquad+f(x+ct)\big]\\&\quad+\frac1{2c}\int_{x-ct}^{x+ct}g\,ds.\end{aligned}$$
  2. 읽는 법: 처음 모양 $f$는 반씩 나뉘어 왼쪽과 오른쪽으로 속력 $c$로 갑니다. 점 $(x,t)$의 값은 구간 $[x-ct,\,x+ct]$(의존 영역, domain of dependence)의 초기 데이터만으로 정해집니다.
  3. $g$의 부정적분 $\Gamma(s)=\int g\,ds$를 먼저 구해 두면 둘째 항은 $\dfrac{\Gamma(x+ct)-\Gamma(x-ct)}{2c}$입니다.
  4. 양 끝 고정 현($0<x<L$)은 $f$, $g$를 $x=0$과 $x=L$에 대해 홀함수가 되게, 주기 $2L$로 늘려서 같은 공식에 넣습니다. 4절의 사인 급수와 같은 답이 나옵니다.
왜 되나? (증명 스케치)

특성좌표로 바꾸기. $\xi=x-ct$, $\eta=x+ct$로 두면 연쇄법칙으로 $\partial_x=\partial_\xi+\partial_\eta$, $\partial_t=c(\partial_\eta-\partial_\xi)$입니다.

$$\begin{aligned}&u_{tt}-c^2u_{xx}\\&=c^2\big[(\partial_\eta-\partial_\xi)^2\\&\qquad-(\partial_\eta+\partial_\xi)^2\big]u\\&=-4c^2u_{\xi\eta}.\end{aligned}$$

그래서 파동방정식은 $u_{\xi\eta}=0$입니다. $\eta$로 적분하면 $u_\xi$는 $\xi$만의 함수이고, 다시 $\xi$로 적분하면 $u=F(\xi)+G(\eta)=F(x-ct)+G(x+ct)$입니다.

$F$, $G$ 정하기. $t=0$에서 $F+G=f$, $c(G'-F')=g$입니다. 둘째 식을 적분하면 $G-F=\frac1c\int_0^xg\,ds+K$. 두 식을 더하고 빼서 $F$, $G$를 구해 넣으면 레시피의 공식이 됩니다($K$는 지워집니다).

변수분리와 같은 답. $\sin kx\cos ckt=\frac12\big[\sin k(x-ct)+\sin k(x+ct)\big]$ (곱을 합으로). 정상파 하나는 반대로 가는 진행파 두 개의 합입니다.

예제 5-1 (a) 봉우리 $f=\dfrac1{1+x^2}$, $g=0$ (b) 가운데를 쳐서 $f=0$, $g=v_0$ ($|x|<a$), 그 밖에서 $g=0$

(a) 레시피 1에 넣으면

$$\begin{aligned}u&=\frac12\Big[\frac1{1+(x-ct)^2}\\&\qquad+\frac1{1+(x+ct)^2}\Big].\end{aligned}$$

원점에서는 $u(0,t)=\dfrac1{1+c^2t^2}$로, 봉우리가 떠나면서 줄어듭니다. 오른쪽으로 가는 봉우리의 꼭대기 $x=ct$에서는 $u=\frac12\big[1+\frac1{1+4c^2t^2}\big]\to\frac12$. 처음 높이의 절반입니다.

(b) $u(0,t)=\frac1{2c}\int_{-ct}^{ct}g\,ds$입니다. 구간 $[-ct,ct]$ 중 $[-a,a]$와 겹치는 길이는 $2\min(ct,a)$이므로

$$\begin{aligned}u(0,t)&=\frac{v_0}{2c}\cdot2\min(ct,a)\\&=\begin{cases}v_0t&t<a/c\\v_0a/c&t\ge a/c\end{cases}\end{aligned}$$

처음에는 속도 $v_0$로 올라가다가, 맞은 부분의 가장자리 소식이 도착하는 $t=a/c$부터 멈춥니다.

6. 2차원 극좌표 라플라스 방정식 (원판)

레시피
  1. $u=R(r)\Phi(\varphi)$를 $u_{rr}+\frac1ru_r+\frac1{r^2}u_{\varphi\varphi}=0$에 넣고 $\frac{r^2}{u}$를 곱합니다: $$\frac{r^2R''+rR'}{R}=-\frac{\Phi''}{\Phi}=m^2.$$ $\varphi$는 한 바퀴 돌면 같은 점이므로 진동해야 합니다 → $\Phi=\cos m\varphi,\ \sin m\varphi$, $m$은 정수.
  2. $r^2R''+rR'-m^2R=0$에 $R=r^s$를 넣으면 $s^2=m^2$ → $r^m,\ r^{-m}$. $m=0$이면 $1,\ \ln r$. $$\begin{aligned}u&=A_0+B_0\ln r\\&\quad+\sum_{m\ge1}\big(A_mr^m+B_mr^{-m}\big)\\&\qquad\times\big(C_m\cos m\varphi+D_m\sin m\varphi\big)\end{aligned}$$
  3. 원판 내부 ($r<a$, 원점에서 유한 → $\ln r$, $r^{-m}$ 버림), 경계 $u(a,\varphi)=f(\varphi)$: $$\begin{aligned}u=A_0&+\sum_{m\ge1}\Big(\frac ra\Big)^m\\&\times\big(A_m\cos m\varphi+B_m\sin m\varphi\big),\end{aligned}$$ $A_0=\dfrac1{2\pi}\displaystyle\int_0^{2\pi}f\,d\varphi$, $A_m=\dfrac1\pi\displaystyle\int_0^{2\pi}f\cos m\varphi\,d\varphi$, $B_m=\dfrac1\pi\displaystyle\int_0^{2\pi}f\sin m\varphi\,d\varphi$.
  4. 원판 외부 ($r>a$, 무한대에서 유한)는 $(r/a)^m$ 대신 $(a/r)^m$을 씁니다.
  5. 중심 값 $u(0)=A_0$ = 경계값의 평균(평균값 성질).
예제 6-1 반지름 $a$인 원판, 경계에서 위 반원 $+V_0$ ($0<\varphi<\pi$), 아래 반원 $-V_0$ ($\pi<\varphi<2\pi$)

$f$는 $\varphi$에 대해 홀함수이므로 $A_0=A_m=0$. 사인 계수만 계산합니다.

$$\begin{aligned}\int_0^\pi\sin m\varphi\,d\varphi&=\frac{1-(-1)^m}{m},\\\int_\pi^{2\pi}\sin m\varphi\,d\varphi&=\frac{(-1)^m-1}{m}\end{aligned}$$ $$\begin{aligned}B_m&=\frac{V_0}{\pi}\Big[\frac{1-(-1)^m}{m}-\frac{(-1)^m-1}{m}\Big]\\&=\frac{2V_0\big(1-(-1)^m\big)}{m\pi}=\frac{4V_0}{m\pi}\ (m\ \text{홀수}).\end{aligned}$$ $$u(r,\varphi)=\frac{4V_0}{\pi}\sum_{m=1,3,5,\dots}\frac1m\Big(\frac ra\Big)^m\sin m\varphi.$$

수치 확인 ($r=a/2$, $\varphi=\pi/2$): $\sin\frac{m\pi}{2}=1,-1,1,\dots$ 이므로 $\frac{4V_0}{\pi}\big(\frac12-\frac{1}{3\cdot8}+\frac1{5\cdot32}-\cdots\big)=\frac{4V_0}{\pi}\arctan\frac12=0.59033V_0$. 부분합은 $0.6366,\ 0.5836,\ 0.5915,\ 0.5901$ ($V_0$ 단위)로 다가갑니다.

참고: 이 급수는 닫힌 형태 $u=\frac{2V_0}{\pi}\arctan\dfrac{2ar\sin\varphi}{a^2-r^2}$로 합쳐집니다(검산 스크립트에서 수치로 비교).

7. 구면좌표 라플라스 방정식 (방위대칭)

레시피 ($u$가 $\varphi$에 무관, 구의 반지름 $a$)
  1. $u=R(r)\Theta(\theta)$ → 각도 부분은 르장드르 방정식, 해는 $P_l(\cos\theta)$ ($\theta=0,\pi$에서 유한하려면 $l=0,1,2,\dots$).
  2. 지름 부분 $r^2R''+2rR'-l(l+1)R=0$에 $R=r^s$ → $s(s+1)=l(l+1)$ → $s=l$ 또는 $s=-l-1$. $$u=\sum_{l=0}^\infty\Big(A_lr^l+\frac{B_l}{r^{l+1}}\Big)P_l(\cos\theta)$$
  3. 내부 ($r<a$): $B_l=0$. 외부 ($r>a$, $u\to0$): $A_l=0$.
  4. 구 표면 $u(a,\theta)=V(\theta)$에서 르장드르 직교성으로 $$\begin{aligned}&A_la^l\ (\text{내부})=\frac{B_l}{a^{l+1}}\ (\text{외부})\\&\quad=\frac{2l+1}{2}\int_0^\pi V(\theta)P_l(\cos\theta)\sin\theta\,d\theta.\end{aligned}$$ $x=\cos\theta$로 바꾸면 $\frac{2l+1}{2}\int_{-1}^1V\,P_l(x)\,dx$.
  5. $V$가 $\cos\theta$의 다항식이면 적분하지 말고 $P_l$로 다시 씁니다($x^2=\frac13P_0+\frac23P_2$ 등).
예제 7-1 구 표면 퍼텐셜 $V(\theta)=V_0\cos^2\theta$, 내부와 외부

$\cos^2\theta=\frac13P_0+\frac23P_2(\cos\theta)$ (확인: $\frac23\cdot\frac{3x^2-1}{2}=x^2-\frac13$). 그래서 $l=0,2$만 남습니다.

$$\begin{aligned}\text{내부: }u&=\frac{V_0}{3}+\frac{2V_0}{3}\frac{r^2}{a^2}P_2(\cos\theta),\\\text{외부: }u&=\frac{V_0}{3}\frac ar+\frac{2V_0}{3}\frac{a^3}{r^3}P_2(\cos\theta).\end{aligned}$$

내부 해를 직교좌표로 쓰면 $r^2P_2=\frac{3z^2-r^2}{2}$ 이므로 $u=\frac{V_0}{3}+\frac{V_0}{3a^2}(2z^2-x^2-y^2)$. $\nabla^2(2z^2-x^2-y^2)=4-2-2=0$ 으로 바로 확인됩니다.

그림 표기로 보기: G3 3절 — 변환기는 대각합이 0이라 r^ℓ P_ℓ(cosθ)가 곧바로 조화함수입니다.

예제 7-2 균일한 전기장 $\mathbf E=E_0\hat z$ 속에 놓인 접지 도체구(반지름 $a$)

조건: $u(a,\theta)=0$, 그리고 멀리서는 원래의 균일장 $u\to-E_0z=-E_0r\cos\theta$ ($\mathbf E=-\nabla u$).

먼 곳 조건에서 $r^l$ 항은 $A_1=-E_0$만 남습니다. 그래서

$$u=-E_0rP_1(\cos\theta)+\sum_l\frac{B_l}{r^{l+1}}P_l(\cos\theta).$$

$r=a$에서 모든 $\theta$에 대해 0이어야 하므로 $P_l$마다 계수가 0: $l=1$에서 $-E_0a+\frac{B_1}{a^2}=0$ → $B_1=E_0a^3$, 나머지 $B_l=0$.

$$u=-E_0\Big(r-\frac{a^3}{r^2}\Big)\cos\theta.$$

표면전하: $\sigma=\varepsilon_0E_r\big|_{r=a}=-\varepsilon_0\dfrac{\partial u}{\partial r}\Big|_{r=a}=\varepsilon_0E_0\Big(1+\dfrac{2a^3}{a^3}\Big)\cos\theta=3\varepsilon_0E_0\cos\theta$.

총전하: $\displaystyle\int\sigma\,a^2\sin\theta\,d\theta\,d\varphi=3\varepsilon_0E_0a^2\cdot2\pi\int_0^\pi\cos\theta\sin\theta\,d\theta=0$. 접지했지만 전체로는 중성입니다.

8. 원통 좌표 (베셀 함수)

레시피
  1. 원형 막 (반지름 $a$, 가장자리 고정): $u_{tt}=c^2\nabla^2u$, $u=R(r)\Phi(\varphi)T(t)$. $$\begin{aligned}&\frac{T''}{c^2T}=-k^2,\\&\frac{r^2R''+rR'}{R}+k^2r^2=-\frac{\Phi''}{\Phi}=m^2.\end{aligned}$$ → $\Phi=\cos m\varphi,\sin m\varphi$, 지름 방향은 베셀 방정식 $r^2R''+rR'+(k^2r^2-m^2)R=0$, 원점에서 유한한 해 $R=J_m(kr)$.
  2. 가장자리 $J_m(ka)=0$ → $k=\dfrac{\alpha_{mn}}{a}$, 진동수 $\omega_{mn}=\dfrac{c\,\alpha_{mn}}{a}$.
  3. 모드: $u_{mn}=J_m\big(\alpha_{mn}\frac ra\big)\{\cos m\varphi,\ \sin m\varphi\}\{\cos\omega_{mn}t,\ \sin\omega_{mn}t\}$. 계수는 베셀 직교성(가중치 $r$)으로 구합니다.
  4. 원통 내부 라플라스 ($0<r<a$, $0<z<h$; 옆면·바닥 0, 윗면만 0이 아님): 경계가 0인 쪽은 옆면($r=a$)이므로 지름 방향이 진동(베셀)하고, $z$ 방향은 $\sinh$입니다. $\varphi$ 무관이면 $$u=\sum_nc_nJ_0(k_nr)\sinh k_nz,\quad k_n=\frac{\alpha_{0n}}{a}.$$
예제 8-1 원형 막의 진동수

가장 낮은 모드 몇 개:

모드 $(m,n)$$\alpha_{mn}$$\omega_{mn}/\omega_{01}$
$(0,1)$$2.4048$$1$
$(1,1)$$3.8317$$1.593$
$(2,1)$$5.1356$$2.136$
$(0,2)$$5.5201$$2.295$

현과 달리 배음이 정수배가 아닙니다. 그래서 북소리는 음높이가 뚜렷하지 않습니다.

$(0,2)$ 모드의 마디원(node circle): $J_0(5.5201\,r/a)=0$이 막 안에서 한 번 더 일어나는 곳은 $5.5201\,r/a=2.4048$, 즉 $r=0.4357a$.

예제 8-2 원통 내부 라플라스: 옆면·바닥 0, 윗면 $u(r,h)=V_0$

①–④단계 결과는 레시피 4번의 급수입니다. ⑤ $z=h$에 넣으면 $V_0=\sum_n\big[c_n\sinh k_nh\big]J_0(\alpha_{0n}r/a)$. 양변에 $J_0(\alpha_{0n}r/a)\,r$를 곱해 $0$부터 $a$까지 적분합니다.

$$\begin{aligned}&c_n\sinh(k_nh)\cdot\frac{a^2}{2}J_1(\alpha_{0n})^2\\&\quad=V_0\int_0^aJ_0\Big(\alpha_{0n}\frac ra\Big)r\,dr\\&\quad=V_0\frac{a^2}{\alpha_{0n}}J_1(\alpha_{0n})\end{aligned}$$ $$\begin{aligned}\Rightarrow\ c_n\sinh(k_nh)&=\frac{2V_0}{\alpha_{0n}J_1(\alpha_{0n})},\\u&=2V_0\sum_{n=1}^\infty\frac{J_0(\alpha_{0n}r/a)}{\alpha_{0n}J_1(\alpha_{0n})}\\&\qquad\times\frac{\sinh(\alpha_{0n}z/a)}{\sinh(\alpha_{0n}h/a)}.\end{aligned}$$

첫 두 계수: $\frac{2}{2.4048\times0.5191}=1.602$, $\frac{2}{5.5201\times(-0.3403)}=-1.065$ ($V_0$ 단위).

수치 예 ($h=2a$, 축 위 $z=a$): 첫 항 $0.14346V_0$, 둘째 항까지 $0.13919V_0$, 수렴값 $0.13934V_0$.

9. 1계 PDE — 특성곡선법

레시피 $a(x,y)\,u_x+b(x,y)\,u_y=c(x,y,u)$ (Arfken 9.2절 — 기억 기반, 미검증)
  1. 특성곡선(characteristic curve): $\dfrac{dx}{a}=\dfrac{dy}{b}$를 풀어 곡선족 $\xi(x,y)=$상수를 얻습니다.
  2. 곡선을 따라 $\dfrac{du}{ds}=c$를 풉니다(매개변수 $s$, $\frac{dx}{ds}=a$, $\frac{dy}{ds}=b$). 한꺼번에 $\dfrac{dx}{a}=\dfrac{dy}{b}=\dfrac{du}{c}$로 기억합니다.
  3. $c=0$이면 $u$는 곡선 위에서 상수입니다: $u=F\big(\xi(x,y)\big)$.
  4. 초기 데이터(예: $u(x,0)=f(x)$)로 $F$를 정합니다. 출발점 $x_0$를 $(x,y)$로 나타내서 대입하는 것이 요령입니다.
  5. 검산: 답을 PDE와 초기 데이터에 직접 넣습니다.
왜 되나? (증명 스케치)

곡선 $x(s)$, $y(s)$를 $\frac{dx}{ds}=a$, $\frac{dy}{ds}=b$로 잡으면 연쇄법칙으로

$$\begin{aligned}\frac{du}{ds}&=u_x\frac{dx}{ds}+u_y\frac{dy}{ds}\\&=au_x+bu_y.\end{aligned}$$

이것은 PDE의 왼쪽 그대로입니다. 그래서 곡선 위에서 PDE는 ODE $\frac{du}{ds}=c$가 됩니다. 곡선마다 출발점의 값 하나만 알면 그 곡선 위의 $u$가 정해집니다. 곡선의 이름표가 $\xi$이므로 $c=0$이면 $u=F(\xi)$입니다. 초기 데이터가 놓인 곡선이 특성곡선과 겹치거나 접하면 이 방법이 깨집니다(값이 두 번 지정되거나 정해지지 않음).

예제 9-1 (a) $u_t+cu_x=-\gamma u$, $u(x,0)=f(x)$ (b) $yu_x-xu_y=0$, $u(x,0)=x^2$ ($x>0$)

(a) $(x,y)$ 자리에 $(t,x)$가 있습니다. 특성곡선은 $\frac{dx}{dt}=c$, 즉 $x-ct=x_0$. 그 위에서 $\frac{du}{dt}=-\gamma u$이므로 $u=f(x_0)e^{-\gamma t}$. $x_0=x-ct$를 넣으면

$$u=f(x-ct)\,e^{-\gamma t}.$$

검산: $u_t=\big(-cf'-\gamma f\big)e^{-\gamma t}$, $cu_x=cf'e^{-\gamma t}$. 더하면 $-\gamma u$. $\gamma=0$이면 모양 그대로 속력 $c$로 오른쪽으로 갑니다(수송 방정식, advection equation).

(b) $\frac{dx}{y}=\frac{dy}{-x}$ → $x\,dx+y\,dy=0$ → $x^2+y^2=$상수. 특성곡선이 원입니다. $c=0$이므로 $u=F(x^2+y^2)$. 출발점 $(x_0,0)$에서 $F(x_0^2)=x_0^2$, 즉 $F(s)=s$.

$$u=x^2+y^2.$$

검산: $y\cdot2x-x\cdot2y=0$.

10. 2계 PDE의 분류 — 타원·포물·쌍곡

레시피 $Au_{xx}+Bu_{xy}+Cu_{yy}+(\text{1계 이하 항})=0$ (Arfken 9.3절 — 기억 기반, 미검증)
  1. 판별식 $\Delta=B^2-4AC$를 계산합니다. $\Delta<0$이면 타원형(elliptic, 예: 라플라스), $\Delta=0$이면 포물형(parabolic, 예: 열방정식), $\Delta>0$이면 쌍곡형(hyperbolic, 예: 파동방정식). 1계 이하 항은 판정에 쓰지 않습니다.
  2. 계수가 $x,y$의 함수이면 점마다 판정합니다. 영역에 따라 유형이 바뀔 수 있습니다.
  3. 특성 방향(상수 계수): $Am^2-Bm+C=0$의 근 $m$이 특성선 $y-mx=$상수의 기울기입니다. $A=0$이면 $x$와 $y$의 역할을 바꿉니다.
  4. 상수 계수이고 1계 이하 항이 없으면: 쌍곡형은 $u=F(y-m_1x)+G(y-m_2x)$, 포물형(중근 $m$)은 $u=F(y-mx)+x\,G(y-mx)$.
  5. 방법 고르기: 타원형은 경계값 문제(변수분리, 그린 함수), 포물형은 초기값 + 경계값(열방정식처럼), 쌍곡형은 초기값(달랑베르, 특성선).
관례: $au_{xx}+2bu_{xy}+cu_{yy}$로 쓰는 책은 판별식을 $b^2-ac$로 씁니다. 부호 판정은 같습니다. Arfken의 표기가 어느 쪽인지는 기억 기반, 미검증입니다.
왜 되나? (증명 스케치)

$u=F(y-mx)$를 넣으면 $u_{xx}=m^2F''$, $u_{xy}=-mF''$, $u_{yy}=F''$이라 2계 항이 $(Am^2-Bm+C)F''$입니다. 이것을 0으로 만드는 실수 $m$의 개수가 판별식의 부호로 정해집니다: 둘(쌍곡), 하나(포물), 없음(타원).

실수 $m$이 있으면 직선 $y-mx=$상수를 따라 모양을 유지한 채 정보가 전달됩니다(파동). 없으면 그런 방향이 없고, 한 점의 값이 둘레 경계 전체의 영향을 받습니다(라플라스).

좌표를 선형으로 바꾸면 계수 $A,B,C$는 바뀌지만 $B'^2-4A'C'=J^2(B^2-4AC)$입니다($J$는 변환의 야코비안 행렬식). 부호가 그대로라서 "유형"은 좌표와 무관합니다.

예제 10-1 분류하고, 가능하면 일반해를 쓰세요. (a) $u_{xx}+4u_{xy}+3u_{yy}=0$ (b) $u_{xx}+2u_{xy}+u_{yy}=0$ (c) $u_{xx}+u_{xy}+u_{yy}=0$ (d) $u_{tt}-c^2u_{xx}=0$

(a) $\Delta=16-12=4>0$, 쌍곡형. $m^2-4m+3=0$ → $m=1,3$.

$$u=F(y-x)+G(y-3x).$$

검산: $G(y-3x)$이면 $u_{xx}=9G''$, $u_{xy}=-3G''$, $u_{yy}=G''$ → $9-12+3=0$.

(b) $\Delta=4-4=0$, 포물형. $m^2-2m+1=0$ → 중근 $m=1$.

$$u=F(y-x)+x\,G(y-x).$$

검산: $u=xG(y-x)$이면 $u_{xx}=-2G'+xG''$, $u_{xy}=G'-xG''$, $u_{yy}=xG''$ → $(-2G'+xG'')+2(G'-xG'')+xG''=0$.

(c) $\Delta=1-4=-3<0$, 타원형. 실수 특성선이 없습니다.

(d) 변수 $(x,t)$에서 $A=-c^2$ ($u_{xx}$ 계수), $B=0$, $C=1$ ($u_{tt}$ 계수). $\Delta=4c^2>0$, 쌍곡형. $-c^2m^2+1=0$ → $m=\pm\frac1c$, 특성선 $t\mp\frac xc=$상수, 즉 $x\mp ct=$상수. 5절의 달랑베르 해 $F(x-ct)+G(x+ct)$입니다.

11. 자주 하는 실수

12. 연습문제

종이에 먼저 풀고 답을 여세요. 모든 답은 SymPy·mpmath로 검산했습니다. 기호: 열확산계수 $\kappa$, 파동 속도 $c$.

A. 분리와 고유값

A1. $u_t=\kappa u_{xx}$에 $u=X(x)T(t)$를 넣어 두 ODE로 분리하세요(분리상수 $-k^2$).

답$X''+k^2X=0$, $T'+\kappa k^2T=0$ — $\frac{T'}{\kappa T}=\frac{X''}{X}=-k^2$.

A2. $X''+k^2X=0$, $X(0)=0$, $X'(L)=0$의 고유값과 고유함수

답$k_n=\dfrac{(2n-1)\pi}{2L}$, $X_n=\sin\dfrac{(2n-1)\pi x}{2L}$ ($n=1,2,\dots$) — $X=\sin kx$에서 $X'(L)=k\cos kL=0$.

A3. $X''+k^2X=0$, $X'(0)=X'(L)=0$에서 $k=0$도 고유값입니까?

답예. $X=$ 상수가 조건을 만족합니다. 그래서 단열 막대의 해에는 상수항 $A_0$가 있습니다.

A4. $r^2R''+rR'-m^2R=0$의 해 ($m=0$일 때도)

답$R=r^s$ → $s^2=m^2$ → $r^m,\ r^{-m}$. $m=0$이면 중근이라 $1$과 $\ln r$.

A5. $r^2R''+2rR'-l(l+1)R=0$의 해

답$r^l,\ r^{-l-1}$ — $s(s-1)+2s=s(s+1)=l(l+1)$.

B. 열방정식과 파동방정식

B1. 양 끝 0도, 처음 온도 $f=3\sin\dfrac{2\pi x}{L}$

답$u=3\sin\dfrac{2\pi x}{L}\,e^{-4\pi^2\kappa t/L^2}$ — $b_2=3$ 하나뿐입니다.

B2. 양 끝 0도, 삼각형 처음 온도 (가운데에서 $T_0$, 양 끝 0)

답$b_n=\dfrac{8T_0}{n^2\pi^2}\sin\dfrac{n\pi}{2}$, $\ u=\dfrac{8T_0}{\pi^2}\displaystyle\sum_{n\ \text{홀수}}\frac{\sin(n\pi/2)}{n^2}\sin\frac{n\pi x}{L}e^{-n^2\pi^2\kappa t/L^2}$ — 예제 4-1과 같은 적분입니다.

B3. 양 끝 0도, 처음 온도 $f=T_0\dfrac xL$

답$b_n=\dfrac{2T_0}{n\pi}(-1)^{n+1}$ — $\int_0^{n\pi}s\sin s\,ds=\big[\sin s-s\cos s\big]_0^{n\pi}=-n\pi(-1)^n$.

B4. 예제 2-1에서 중앙 온도가 $T_0/2$가 되는 시각을 첫 항만으로 구하고, 그 시각에 $n=3$ 항의 크기를 어림하세요.

답$\frac4\pi e^{-\pi^2\kappa t/L^2}=\frac12$ → $t=\dfrac{L^2}{\pi^2\kappa}\ln\dfrac8\pi\approx0.0947\dfrac{L^2}{\kappa}$. 그때 $n=3$ 항은 $-\frac{4}{3\pi}\big(\frac\pi8\big)^9T_0\approx-9.4\times10^{-5}T_0$ 이라 무시해도 됩니다.

B5. 양 끝 단열, 처음 온도 $f=T_0\cos^2\dfrac{\pi x}{L}$

답$u=\dfrac{T_0}{2}+\dfrac{T_0}{2}\cos\dfrac{2\pi x}{L}\,e^{-4\pi^2\kappa t/L^2}$, 최종 온도 $\dfrac{T_0}{2}$ — 반각 공식 $\cos^2\theta=\frac{1+\cos2\theta}{2}$.

B6. 현을 $x=d$에서 높이 $h$로 뜯어 놓았습니다(두 직선으로 된 삼각형, 초기 속도 0). $a_n$은? $d=L/3$이면 어떤 모드가 빠집니까?

답$a_n=\dfrac{2hL^2}{n^2\pi^2d(L-d)}\sin\dfrac{n\pi d}{L}$. $d=L/3$이면 $n=3,6,9,\dots$가 0입니다. ($d=L/2$를 넣으면 예제 4-1과 같아집니다.)

B7. 현, $f=0$, $g=v_0\sin\dfrac{\pi x}{L}$

답$u=\dfrac{v_0L}{\pi c}\sin\dfrac{\pi x}{L}\sin\dfrac{\pi ct}{L}$ — $\omega_1b_1=v_0$, $\omega_1=\frac{\pi c}{L}$.

C. 직교좌표·극좌표 라플라스

C1. 사각판($0<x<a$, $0<y<b$)에서 오른쪽 변 $u(a,y)=V_0$, 나머지 세 변 0

답$u=\displaystyle\sum_{n\ \text{홀수}}\frac{4V_0}{n\pi\sinh(n\pi a/b)}\sinh\frac{n\pi x}{b}\sin\frac{n\pi y}{b}$ — 이번에는 $y$ 방향 양 끝이 0이므로 $y$가 진동합니다.

C2. 사각판, 윗변 $u(x,b)=V_0\sin\dfrac{\pi x}{a}$, 나머지 0

답$u=V_0\dfrac{\sinh(\pi y/a)}{\sinh(\pi b/a)}\sin\dfrac{\pi x}{a}$ — 계수 적분이 필요 없습니다.

C3. 반무한 띠 $0<x<a$, $y>0$: 양 옆 0, 바닥 $u(x,0)=V_0$, $y\to\infty$에서 $u\to0$

답$u=\dfrac{4V_0}{\pi}\displaystyle\sum_{n\ \text{홀수}}\frac1n e^{-n\pi y/a}\sin\frac{n\pi x}{a}$ — $\sinh$ 대신 감쇠하는 $e^{-ky}$를 고릅니다. 닫힌 형태는 $\frac{2V_0}{\pi}\arctan\dfrac{\sin(\pi x/a)}{\sinh(\pi y/a)}$.

C4. 원판 경계 $u(a,\varphi)=V_0\cos^2\varphi$: 내부와 외부

답내부 $\dfrac{V_0}{2}+\dfrac{V_0}{2}\dfrac{r^2}{a^2}\cos2\varphi$, 외부 $\dfrac{V_0}{2}+\dfrac{V_0}{2}\dfrac{a^2}{r^2}\cos2\varphi$ — $\cos^2\varphi=\frac12+\frac12\cos2\varphi$.

C5. 원판 경계가 $0<\varphi<\pi/2$에서만 $V_0$, 나머지 0. 중심의 퍼텐셜은?

답$\dfrac{V_0}{4}$ — 중심 값 $A_0$ = 경계값의 평균.

C6. 고리 $a<r<b$에서 $u(a)=V_1$, $u(b)=V_2$ (각도 무관)

답$u=V_1+(V_2-V_1)\dfrac{\ln(r/a)}{\ln(b/a)}$ — $m=0$ 항 $A_0+B_0\ln r$만 씁니다.

D. 구면·원통

D1. 구 표면 $V(\theta)=V_0\cos\theta$: 내부와 외부

답내부 $V_0\dfrac ra\cos\theta$ ($=V_0z/a$), 외부 $V_0\dfrac{a^2}{r^2}\cos\theta$ — $l=1$ 하나.

D2. 위 반구 $+V_0$, 아래 반구 $-V_0$: 내부 해를 $l=3$까지

답$u\approx V_0\Big[\dfrac32\dfrac raP_1(\cos\theta)-\dfrac78\dfrac{r^3}{a^3}P_3(\cos\theta)\Big]$ — 짝수 $l$은 0. 홀수 $l$은 $A_la^l=(2l+1)V_0\int_0^1P_l\,dx$, $\int_0^1P_1=\frac12$, $\int_0^1P_3=-\frac18$.

D3. 구 표면 $V(\theta)=V_0\cos^3\theta$: 내부

답$V_0\Big[\dfrac35\dfrac raP_1(\cos\theta)+\dfrac25\dfrac{r^3}{a^3}P_3(\cos\theta)\Big]$ — $x^3=\frac35P_1+\frac25P_3$.

D4. 예제 7-2에서 도체구에 유도된 쌍극자 모멘트 $p$

답$p=4\pi\varepsilon_0a^3E_0$ — 바깥 항 $E_0a^3\frac{\cos\theta}{r^2}$을 $\frac{p\cos\theta}{4\pi\varepsilon_0r^2}$와 비교.

D5. 예제 7-2에서 도체구를 접지하지 않고 퍼텐셜 $V_1$로 유지하면?

답$u=-E_0\Big(r-\dfrac{a^3}{r^2}\Big)\cos\theta+V_1\dfrac ar$ — $l=0$ 항 $B_0/r$이 추가됩니다. 총전하는 $4\pi\varepsilon_0aV_1$.

D6. 원형 막에서 $\omega_{11}/\omega_{01}$, $\omega_{02}/\omega_{01}$, 그리고 $(0,2)$ 모드 마디원의 반지름

답$1.593$, $2.295$, $0.4357a$ — $3.8317/2.4048$, $5.5201/2.4048$, $2.4048/5.5201$.

D7. 예제 8-2에서 $n=2$ 계수 $c_2\sinh(k_2h)$의 값

답$\dfrac{2V_0}{\alpha_{02}J_1(\alpha_{02})}=\dfrac{2V_0}{5.5201\times(-0.3403)}\approx-1.065V_0$ — $J_1(\alpha_{02})$는 음수입니다.

E. 경계 온도가 0이 아닌 열방정식, 달랑베르

E1. 열원이 있는 막대 $u_t=\kappa u_{xx}+Q$ ($Q$ 상수), $u(0,t)=u(L,t)=0$, $u(x,0)=0$

답$u_s=\dfrac{Q}{2\kappa}x(L-x)$, 과도해 계수 $b_n=-\dfrac{4QL^2}{\kappa n^3\pi^3}$ (홀수 $n$), 짝수 $n$이면 0 — $u_s''=-Q/\kappa$. $v(x,0)=-u_s$이고 $\int_0^Lx(L-x)\sin\frac{n\pi x}{L}dx=\frac{2L^3(1-(-1)^n)}{n^3\pi^3}$.

E2. $u(0,t)=0$, $u_x(L,t)=G$ (끝에서 열이 일정하게 들어옴), $u(x,0)=0$

답$u=Gx+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{8GL(-1)^n}{(2n-1)^2\pi^2}\sin\mu_nx\,e^{-\kappa\mu_n^2t}$, $\mu_n=\dfrac{(2n-1)\pi}{2L}$ — 정상상태 $u_s=Gx$. 과도해는 A2의 고유함수. $b_n=-\frac{2G}{L}\int_0^Lx\sin\mu_nx\,dx$이고 $\int_0^Lx\sin\mu_nx\,dx=\frac{(-1)^{n+1}}{\mu_n^2}$. 검산: $t=0$, $x=L$이면 $GL-\frac{8GL}{\pi^2}\cdot\frac{\pi^2}{8}=0$.

E3. 무한히 긴 현, $f=0$, $g=xe^{-x^2}$

답$u=\dfrac1{4c}\Big[e^{-(x-ct)^2}-e^{-(x+ct)^2}\Big]$ — $\Gamma(s)=-\frac12e^{-s^2}$, $u=\frac{\Gamma(x+ct)-\Gamma(x-ct)}{2c}$.

E4. 무한히 긴 현, $f=e^{-x^2}$, $g=0$. $u(0,t)$와 $u\big(1,\frac1c\big)$

답$u(0,t)=e^{-c^2t^2}$, $\ u\big(1,\frac1c\big)=\frac12\big(1+e^{-4}\big)\approx0.50916$ — $\frac12\big[f(x-ct)+f(x+ct)\big]$에서 $x-ct=0$, $x+ct=2$.

F. 특성곡선과 분류

F1. $u_x+u_y=u$, $u(x,0)=\sin x$

답$u=e^y\sin(x-y)$ — 특성곡선 $x-y=x_0$, 그 위에서 $\frac{du}{ds}=u$ ($s=y$)이므로 $u=\sin(x_0)\,e^{y}$. 검산: $u_x+u_y=e^y\cos(x-y)+\big[-e^y\cos(x-y)+e^y\sin(x-y)\big]=u$.

F2. $u_t+xu_x=0$, $u(x,0)=\dfrac1{1+x^2}$

답$u=\dfrac1{1+x^2e^{-2t}}$ — $\frac{dx}{dt}=x$이므로 $x=x_0e^t$, $x_0=xe^{-t}$. 모양이 시간에 따라 옆으로 늘어납니다.

F3. 분류하세요. (a) $u_{xx}-6u_{xy}+9u_{yy}=0$ (b) $2u_{xx}+u_{xy}+u_{yy}=0$ (c) $u_{xx}-u_{yy}+u_x=0$ (d) $yu_{xx}+u_{yy}=0$

답(a) 포물형 ($36-36=0$) (b) 타원형 ($1-8<0$) (c) 쌍곡형 ($0+4>0$, 1계 항은 무관) (d) $\Delta=-4y$: $y>0$이면 타원형, $y<0$이면 쌍곡형, $y=0$이면 포물형 (트리코미 방정식, Tricomi equation).

F4. $u_{xx}-u_{xy}-2u_{yy}=0$의 일반해

답$u=F(y-x)+G(y+2x)$ — $A=1$, $B=-1$, $C=-2$에서 $m^2+m-2=0$, $m=1,-2$. 검산: $G(y+2x)$이면 $4G''-2G''-2G''=0$.

13. 다음

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