원통좌표계, 구면좌표계에서의 라플라스 방정식 유도
직각좌표계(R3)에서의 라플라스 방정식은 ∂2u∂x2+∂2u∂y2+∂2u∂z2=0이다.
라플라스 방정식을 각각 원통좌표계와 구면좌표계에 대해서 나타내면
원통좌표계: ∂2u∂r2+1r∂u∂r+1r2∂2u∂θ2+∂2u∂z2=0
구면좌표계: ∂2u∂ρ2+2ρ∂u∂ρ+cotϕρ2∂u∂ϕ+1ρ2∂2u∂ϕ2+1ρ2sin2ϕ∂2u∂θ2=0
이다. 편미분에서의 연쇄법칙을 이용하여 위 식들을 유도할 수 있다.
원통좌표계에 대한 라플라스 방정식 유도:
x=rcosθ, y=rsinθ, z=z(r≥0,0≤θ≤2π)이고
∂u∂r=∂u∂x∂x∂r+∂u∂y∂y∂r=cosθ∂u∂x+sinθ∂u∂y∂2u∂r2=∂∂r(cosθ∂u∂x+sinθ∂u∂y)=cosθ∂∂r(∂u∂x)+sinθ∂∂r(∂u∂y)∂∂r(∂u∂x)=∂∂x(∂u∂x)∂x∂r+∂∂y(∂u∂x)∂y∂r=cosθ∂2u∂x2+sinθ∂2u∂x∂y∂∂r(∂u∂y)=∂∂x(∂u∂y)∂x∂r+∂∂y(∂u∂y)∂y∂r=cosθ∂2u∂x∂y+sinθ∂2u∂y2이므로 ∂2u∂r2=cos2θ∂2u∂x2+2sinθcosθ∂2u∂x∂y+sin2θ∂2u∂2y이다.
같은 방법으로
∂u∂θ=∂u∂x∂x∂θ+∂u∂y∂y∂θ=−rsinθ∂u∂x+rcosθ∂u∂y∂2u∂θ2=∂∂θ(−rsinθ∂u∂x+rcosθ∂u∂y)=−rcosθ∂u∂x−rsinθ∂u∂y−rsinθ∂∂θ(∂u∂x)+rcosθ∂∂θ(∂u∂y)∂∂θ(∂u∂x)=∂∂x(∂u∂x)∂x∂θ+∂∂y(∂u∂x)∂y∂θ=−rsinθ∂2u∂x2+rcosθ∂2u∂x∂y∂∂θ(∂u∂y)=∂∂x(∂u∂y)∂x∂θ+∂∂y(∂u∂y)∂x∂θ+∂∂y(∂u∂y)∂y∂θ=−rsinθ∂2u∂x∂y+rcosθ∂2u∂y2이므로∂2u∂θ2=−rcosθ∂u∂x−rsinθ∂u∂y+r2sin2θ∂2u∂x2−2rsinθcosθ∂2u∂x∂y+r2cos2θ∂2u∂y2=−r∂u∂r+r2sin2θ∂2u∂x2−2r2sinθcosθ∂2u∂x∂y+r2cos2θ∂2u∂y2이고 1r∂u∂r+1r2∂2u∂θ2=sin2θ∂2u∂x2−2sinθcosθ∂2u∂x∂y+cos2θ∂2u∂y2이다. 따라서
∂2u∂r2+1r∂u∂r+1r2∂2u∂θ2+∂2u∂z2=(cos2θ+sin2θ)∂2u∂x2+(sin2θ+cos2θ)∂2u∂y2+∂2u∂2z=∂2u∂x2+∂2u∂2y+∂2u∂z2=0이다.
이렇게 원통좌표계에서의 라플라스 방정식을 유도했다.
구면좌표계에 대한 라플라스 방정식 유도:
x=ρsinϕcosθ, y=ρsinϕsinθ, z=ρcosϕ(ρ≥0,0≤ϕ≤π,0≤θ≤2π)이고
∂u∂ρ=∂u∂x∂x∂ρ+∂u∂y∂y∂ρ+∂u∂z∂z∂ρ=sinϕcosθ∂u∂x+sinϕsinθ∂u∂y+cosϕ∂u∂z∂2u∂ρ2=sinϕcosθ∂∂ρ(∂u∂x)+sinϕsinθ∂∂ϕ(∂u∂y)+cosϕ∂∂ρ(∂u∂z)∂∂ρ(∂u∂x)=∂∂x(∂u∂x)∂x∂ρ+∂∂y(∂u∂x)∂y∂ρ+∂∂z(∂u∂x)∂z∂ρ=sinϕcosθ∂2u∂x2+sinϕsinθ∂2u∂x∂y+cosϕ∂2u∂y∂z∂∂ρ(∂u∂y)=∂∂x(∂u∂y)∂x∂ρ+∂∂y(∂u∂y)∂y∂ρ+∂∂z(∂u∂y)∂z∂ρ=sinϕcosθ∂2u∂x∂y+sinϕsinθ∂2u∂y2+cosϕ∂2u∂y∂z∂∂ρ(∂u∂z)=∂∂x(∂u∂z)∂x∂ρ+∂∂y(∂u∂z)∂y∂ρ+∂∂z(∂u∂z)∂z∂ρ=sinϕcosθ∂2u∂x∂y+sinϕsinθ∂2u∂y∂z+cosϕ∂2u∂z2이므로
∂2u∂ρ2=sinϕcosθ(sinϕcosθ∂2u∂x2+sinϕsinθ∂2u∂x∂y+cosϕ∂2u∂z∂x)+sinϕsinθ(sinϕcosθ∂2u∂x∂y+sinϕsinθ∂2u∂y2+cosϕ∂2u∂y∂z)+cosϕ(sinϕcosθ∂2u∂x∂z+sinϕsinθ∂2u∂y∂z+cosϕ∂2u∂z2)=sin2ϕcos2θ∂2u∂x2+sin2ϕsin2θ∂2u∂y2+cos2ϕ∂2u∂z2+2sin2ϕsinθcosθ∂2u∂x∂y+2sinϕcosϕsinθ∂2u∂y∂z+2sinϕcosϕcosθ∂2u∂z∂x이다.
∂u∂ϕ=∂u∂x∂x∂ϕ+∂u∂y∂y∂ϕ+∂u∂z∂z∂ϕ=ρcosϕcosθ∂u∂x+ρcosϕsinθ∂u∂y−ρsinϕ∂u∂z∂2u∂ϕ2=−ρsinϕcosθ∂u∂x+ρsinϕsinθ∂u∂y−ρcosϕ∂u∂z+ρcosϕcosθ∂∂ϕ(∂u∂x)+ρcosϕsinθ∂∂ϕ(∂u∂y)−ρsinϕ∂∂ϕ(∂u∂z)∂∂ϕ(∂u∂x)=∂∂x(∂u∂x)∂x∂ϕ+∂∂y(∂u∂x)∂y∂ϕ+∂∂z(∂u∂x)∂z∂ϕ=ρcosϕcosθ∂2u∂x2+ρcosϕsinθ∂2u∂x∂y−ρsinϕ∂2u∂x∂z∂∂ϕ(∂u∂y)=∂∂x(∂u∂y)∂y∂ϕ+∂∂y(∂u∂y)∂y∂ϕ+∂∂z(∂u∂y)∂z∂ϕ=ρcosϕcosθ∂2u∂x∂y+ρcosϕsinθ∂2u∂y2−ρsinϕ∂2u∂y∂z∂∂ϕ(∂u∂z)=∂∂x(∂u∂z)∂x∂ϕ+∂∂y(∂u∂z)∂y∂ϕ+∂∂z(∂u∂z)∂z∂ϕ=ρcosϕcosθ∂2u∂x∂z+ρcosϕsinθ∂2u∂y∂z−ρsinϕ∂2u∂z2이므로
∂2u∂ϕ2=−ρsinϕcosθ∂u∂x−ρsinϕsinθ∂u∂y−ρcosϕ∂u∂z+ρcosϕcosθ(ρcosϕcosθ∂2u∂x2+ρcosϕsinθ∂2u∂x∂y−ρsinϕ∂2u∂x∂z)+ρcosϕsinθ(ρcosϕcosθ∂2u∂x∂y+ρcosϕsinθ∂2u∂y2−ρsinϕ∂2u∂y∂z)−ρsinϕ(ρcosϕ∂2u∂x∂z+ρcosϕsinθ∂2u∂y∂z−ρsinϕ∂2u∂z2)=−(ρsinϕcosθ∂u∂x+ρsinϕsinθ∂u∂y+ρcosϕ∂u∂z)+ρ2cos2ϕcos2θ∂2u∂x2+ρ2cos2ϕsin2θ∂2u∂y2+ρ2sin2ϕ∂2u∂z2+2ρ2cos2ϕsinθcosθ∂2u∂x∂y−2ρ2sinϕcosϕsinθ∂2u∂y∂z−2ρ2sinϕcosϕcosθ∂2u∂x∂z이다.
∂u∂θ=∂u∂x∂x∂θ+∂u∂y∂y∂θ+∂u∂z∂z∂θ=−ρsinϕsinθ∂u∂x+ρsinϕcosθ∂u∂y∂2u∂θ2=−ρsinϕcosθ∂u∂x−ρsinϕsinθ∂u∂y−ρsinϕsinθ∂∂θ(∂u∂x)+ρsinϕcosθ∂∂θ(∂u∂y)∂∂θ(∂u∂x)=∂∂x(∂u∂x)∂x∂θ+∂∂y(∂u∂x)∂y∂θ+∂∂z(∂u∂x)∂z∂θ=−ρsinϕsinθ∂2u∂x2+ρsinϕcosθ∂2u∂x∂y∂∂θ(∂u∂y)=∂∂x(∂u∂y)∂x∂θ+∂∂y(∂u∂y)∂y∂θ+∂∂z(∂u∂y)∂z∂θ=−ρsinϕsinθ∂2u∂x∂y+ρsinϕcosθ∂2u∂y2이므로
∂2u∂θ2=−ρsinϕcosθ∂u∂y−ρsinϕcosθ∂u∂y−ρsinϕsinθ(−ρsinϕsinθ∂2u∂x2+ρsinϕcosθ∂2u∂x∂y)+ρsinϕcosθ(−ρsinϕsinθ∂2u∂x∂y+ρsinϕcosθ∂2u∂y2)=−ρsinϕcosθ∂u∂x−ρsinϕsinθ∂u∂y+ρ2sin2ϕsin2θ∂2u∂x2+ρ2sin2ϕcos2θ∂2u∂y2−2ρ2sin2ϕsinθcosθ∂2u∂x∂y이다. 식들을 종합하면
∂2u∂ρ2=sin2ϕcos2θ∂2u∂x2+sin2ϕsin2θ∂2u∂y2+cos2ϕ∂2u∂z2+2sin2ϕsinθcosθ∂2u∂x∂y+2sinϕcosϕsinθ∂2u∂y∂z+2sinϕcosϕcosθ∂2u∂x∂z2ρ∂u∂ρ=2sinϕcosθρ∂u∂x+2sinϕsinθρ∂u∂y+2cosϕρ∂u∂zcotϕρ2∂u∂ϕ2=cos2ϕcosθρsinϕ∂u∂x+cos2ϕsinθρsinϕ∂u∂y−cosϕρ∂u∂z1ρ2∂2u∂ϕ2=−sinϕcosθρ∂u∂x−sinϕsinθρ∂u∂y−cosϕρ∂u∂z+cos2ϕcos2θ∂2u∂x2+cos2ϕsin2θ∂2u∂y2+sin2ϕ∂2u∂z2+2cos2ϕsinθcosθ∂2u∂x∂y−2sinϕcosϕsinθ∂2u∂y∂z−2sinϕcosϕcosθ∂2u∂x∂z1ρ2sin2ϕ∂2u∂θ2=−cosθρsinϕ∂u∂x−sinθρsinϕ∂u∂y+sin2θ∂2u∂x2+cos2θ∂2u∂y2−2sinθcosθ∂2u∂x∂y이고 이때2sinϕcosθρ+cos2ϕcosθρsinϕ−sinϕcosθρ−cosθρsinϕ=sinϕcosθρ−(1−cos2ϕ)cosθρsinϕ=sinϕcosθρ−sinϕcosθρ=02sinϕsinθρ+cos2ϕsinθρsinϕ−sinϕsinθρ−sinθρsinϕ=sinϕsinθρ−(1−cos2ϕ)sinθρsinϕ=sinϕsinθρ−sinϕsinθρ=0이므로 따라서 ∂2u∂ρ2+2ρ∂u∂ρ+cotϕρ2∂u∂ϕ+1ρ2∂2u∂θ2+1ρ2sin2ϕ∂2u∂θ2=0이 성립한다.
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