早稲田大学 創造理工学研究科 経営システム工学専攻 2021年8月実施 微积分
Author
思齐塾, 祭音Myyura
Description
z=f(r),r=x2+y2 とするとき,
∂x2∂2z+∂y2∂2z=0
を満たすような関数 (function) f(r) を求めよ。
题目描述
设
z=f(r),r=x2+y2.
求使
∂x2∂2z+∂y2∂2z=0
成立的函数 f(r)。原题未说明区域是否包含 r=0,也未给出原点处的光滑性要求;因此应先求 r>0 上的径向通解,并另行说明若要求 z 在原点也为 C2 调和函数时所受的限制。
Kai
We are given that z=f(r) and r=x2+y2 . We want to find f(r) such that ∂x2∂2z+∂y2∂2z=0 .
First, we find the first partial derivatives:
∂x∂z=drdf∂x∂r=f′(r)x2+y2x=f′(r)rx
∂y∂z=drdf∂y∂r=f′(r)x2+y2y=f′(r)ry
Next, we find the second partial derivatives:
∂x2∂2z=∂x∂(f′(r)rx)=f′′(r)rxrx+f′(r)r2r−x(rx)=f′′(r)r2x2+f′(r)r3r2−x2=f′′(r)r2x2+f′(r)r3y2
∂y2∂2z=∂y∂(f′(r)ry)=f′′(r)ryry+f′(r)r2r−y(ry)=f′′(r)r2y2+f′(r)r3r2−y2=f′′(r)r2y2+f′(r)r3x2
Now, we add the second partial derivatives:
∂x2∂2z+∂y2∂2z=f′′(r)r2x2+f′(r)r3y2+f′′(r)r2y2+f′(r)r3x2=f′′(r)r2x2+y2+f′(r)r3x2+y2=f′′(r)r2r2+f′(r)r3r2=f′′(r)+rf′(r)
We are given that this sum equals 0, so we have:
f′′(r)+rf′(r)=0
Let g(r)=f′(r) . Then g′(r)=f′′(r) , so we have:
g′(r)+rg(r)=0
drdg=−rg
gdg=−rdr
Integrating both sides, we get:
∫gdg=−∫rdr
ln∣g∣=−ln∣r∣+C1
g(r)=e−ln∣r∣+C1=eC1e−ln∣r∣=rC
So f′(r)=rC . Integrating again, we get:
f(r)=∫rCdr=Cln∣r∣+C2
Thus, r>0 では
f(r)=Alnr+B
where A and B are constants. ただし原点 r=0 まで含む領域で z=f(r) が C2 級かつ調和であることを要求する場合、 lnr は原点で発散するため A=0 でなければならず、解は定数関数 f(r)=B に限られる。