東京大学 新領域創成科学研究科 複雑理工学専攻 2018年8月実施 専門基礎科目 第1問
Author
之遥
Description
f(x,y)(x,y∈R,(x,y)=(0,0)) を実関数とし,微分方程式
∂x2∂2f+∂y2∂2f+f=0
を極座標 (r,θ)(r,θ∈R,r>0) を用いて考える。ここで, x=rcosθ,y=rsinθ とする。g(r,θ)=f(x(r,θ),y(r,θ)) として, 以下の問に答えよ。
(問 1)
r を x,y を用いて表せ。
(問 2)
∂x∂f=A(r,θ)∂r∂g+B(r,θ)∂θ∂g と表されるとき, A(r,θ),B(r,θ) を求めよ。∂x∂θ=−rsinθ を用いてよい。
(問 3)
∂x2∂2f=D(r,θ)∂r2∂2g+E(r,θ)∂r∂g+F(r,θ)∂θ2∂2g+G(r,θ)∂θ∂g+H(r,θ)∂r∂θ∂2g と表されるとき, D(r,θ),E(r,θ),F(r,θ),G(r,θ),H(r,θ) を求めよ。
(問 4)
式(1)の微分方程式において, 変数を極座標に変換して g(r,θ) に関する微分方程式を求めよ。∂y∂θ=rcosθ を用いてよい。
(問 5)
(問 4)で求めた微分方程式の解が, g(r,θ)=R(r)sinθ と書けると仮定する。 R(r) は微分方程式
dr2d2R+r1drdR+(1−r21)R=0
を満たすことを示せ。
(問 6)
式(2)の微分方程式の解が, 項別微分可能な級数 R(r)=r+∑m=1∞Cmrm+1 と書けると仮定する。
(i) C1,C2 の値を求めよ。
(ii) 整数 n≥1 に対して, Cn+2 を Cn を用いて表せ。
题目描述
设 f(x,y) 是定义在 R2∖{(0,0)} 上的实函数,满足二维 Helmholtz 方程
∂x2∂2f+∂y2∂2f+f=0.(1)
采用极坐标
x=rcosθ,y=rsinθ,r>0,
并定义 g(r,θ)=f(x(r,θ),y(r,θ))。回答:
- 用 x,y 表示 r。
- 若
∂x∂f=A(r,θ)∂r∂g+B(r,θ)∂θ∂g,
求 A,B;可用 ∂θ/∂x=−sinθ/r。
- 若
∂x2∂2f=Dgrr+Egr+Fgθθ+Ggθ+Hgrθ,
求 D(r,θ),E(r,θ),F(r,θ),G(r,θ),H(r,θ)。
- 将式 (1) 完整变换成关于 g(r,θ) 的极坐标偏微分方程;可用 ∂θ/∂y=cosθ/r。
- 假设解可分离为
g(r,θ)=R(r)sinθ,
证明径向函数满足
R′′+r1R′+(1−r21)R=0.(2)
- 再假设式 (2) 有可逐项微分的级数解
R(r)=r+m=1∑∞Cmrm+1.
- 求 C1,C2;
- 对整数 n≥1,用 Cn 表示 Cn+2。
Kai
(問 1)
r=x2+y2
(問 2)
∂x∂r=2x2+y22x=rrcosθ=cosθ∂x∂f(x,y)=∂r∂f(x(r,θ),y(r,θ))∂x∂r+∂θ∂f(x(r,θ),y(r,θ))∂x∂θ=∂r∂g∂x∂r+∂θ∂g∂x∂θ=cosθ∂r∂g+(−rsinθ)∂θ∂g∴A(r,θ)=cosθ,B(r,θ)=−rsinθ
(問 3)
∂x2∂2f=∂x∂(∂x∂f)=∂r∂(∂x∂f)⋅∂x∂r+∂θ∂(∂x∂f)⋅∂x∂θ=∂r∂[cosθ∂r∂g+(−rsinθ)∂θ∂g]⋅∂x∂r+∂θ∂[cosθ∂r∂g+(−rsinθ)∂θ∂g]⋅∂x∂θ=[cosθ∂r2∂2g+r2sinθ∂θ∂g+(−rsinθ)∂θ∂r∂2g]cosθ+[−sinθ∂r∂g+cosθ∂r∂θ∂g+(−rcosθ)∂θ∂g+(−rsinθ)∂θ2∂2g](−rsinθ)∴D(r,θ)=cos2θ,E(r,θ)=rsin2θ,F(r,θ)=r2sin2θ,G(r,θ)=r22sinθcosθ,H(r,θ)=−r22sinθcosθ
(問 4)
∂y∂f=∂r∂g∂y∂r+∂θ∂g∂y∂θ=sinθ∂r∂g+rcosθ∂θ∂g∂y2∂2f=[sinθ∂r2∂2g+(−r2cosθ)∂θ∂g+rcosθ∂θ∂r∂2g]sinθ+[−cosθ∂r∂g+sinθ∂r∂θ∂g+(−rsinθ)∂θ∂g+rcosθ∂θ2∂2g]rcosθSince ∂x2∂2f+∂y2∂2f+f=0∂r2∂2g+∂r∂gr1+∂θ2∂2gr21+g=0
(問 5)
∂r∂g=drdRsinθ,∂r2∂2g=dr2d2Rsinθ∂θ∂g=Rcosθ,∂θ2∂2g=−Rsinθ∴dr2d2Rsinθ+drdRsinθr1+(−Rsinθ)r21+Rsinθ=0dr2d2R+r1drdR+(1−r21)R=0
(問 6)
(i)
drdR=1+m=1∑∞(m+1)Cmrm,dr2d2R=m=1∑∞m(m+1)Cmrm−1∴dr2d2R+r1drdR+(1−r21)R=m=1∑∞m(m+1)Cmrm−1+r1+m=1∑∞(m+1)Cmrm−1+r−r1+m=1∑∞Cmrm+1−m=1∑∞Cmrm−1=r+m=1∑∞(m2+m+m+1−1)Cmrm−1+m=1∑∞Cmrm+1=r+m+1∑∞(m2+2m)Cmrm−1+m=1∑∞Cmrm+1=r+3C1+8C2r+m=3∑∞m(m+2)Cmrm−1+m=1∑∞Cmrm+1=3C1+(1+8C2)r+m=1∑∞(m+2)(m+4)Cm+2rm+1+m=1∑∞Cmrm+1=0
∴⎩⎨⎧3C1=01+8C2=0(m+2)(m+4)Cm+2+Cm=0,⎩⎨⎧C1=0C2=−81Cm+2=−(m+2)(m+4)Cm
(ii)
Cn+2=−(n+2)(n+4)Cn