波動方程式の変換

■問題

y=f( x,t ) において,1次元の波動方程式

∂ 2 y ∂ t 2 = c 2 ∂ 2 y ∂ x 2

に ξ=x−ct , η=x+ct なる変換を行うと

∂ 2 y ∂η∂ξ =0

となることを示せ.

■ヒント

最初に ξ = x − c t , η = x + c t より, x , t を ξ, η で表す.

y を ξ で偏微分した後,更に η で偏微分する. このとき,合成関数の偏導関数の公式を用いる.

■解説

ξ = x − c t  ・・・・・・(1)

η = x + c t  ・・・・・・(2)

とおく.

(1) を変形すると

x=ξ+ct

これを (2) に代入して整理すると

η = ξ + c t + c t

t = η − ξ 2 c  ・・・・・・(3)

となる.更に,これを (1) に代入し整理すると

ξ = x − c   ·   η − ξ 2 c

x = ξ + η 2  ・・・・・・(4)

となる.

(4)より x を ξ で偏微分すると

∂ x ∂ ξ = ∂ ∂ ξ ( ξ + η 2 ) = ∂ ∂ ξ ( 1 2 ξ + η 2 ) = 1 2  ・・・・・・(5)

次に,(3)より t を ξ で偏微分すると

∂t ∂ξ = ∂ ∂ξ ( η−ξ 2c ) = ∂ ∂ξ ( η 2c − ξ 2c )=− 1 2c  ・・・・・・(6)

同様の手順で x , t を   η   で偏微分をすると

∂ x ∂ η = ∂ ∂ η ( ξ + η 2 ) = ∂ ∂ η ( ξ 2 + 1 2 η ) = 1 2  ・・・・・・(7)

∂t ∂η = ∂ ∂η ( η−ξ 2c ) = ∂ ∂η ( η 2c − ξ 2c )= 1 2c  ・・・・・・(8)

(5),(6)より y を ξ で偏微分すると(合成関数の偏導関数の公式を参照)

∂y ∂ξ = f x ∂x ∂ξ + f t ∂t ∂ξ

= f x ⋅ 1 2 + f t ( − 1 2c )

= 1 2 f x − 1 2 f t  ・・・・・・(9)

これを更に η で偏微分すると

∂ 2 y ∂η∂ξ = ∂ ∂η ( ∂y ∂ξ )

(9)を代入する.

= ∂ ∂η ( 1 2 f x − 1 2c f t )

= ∂ ∂η ( 1 2 f x )− ∂ ∂η ( 1 2c f t )

= 1 2 ∂ ∂η f x − 1 2c ∂ ∂η f t  ・・・・・・(10)

ここで, f x , f t は,合成関数 y=f( x,t ) を x , t でそれぞれ偏微分したものであるから,どちらも合成関数である.

よって,   ∂ ∂η f x  ,   ∂ ∂η f t   は,どちらも合成関数の偏微分となるので

∂ ∂ η f x = ∂ ∂ x f x   ·   ∂ x ∂ η + ∂ ∂ t f x   ·   ∂ t ∂ η

= f x x ∂ x ∂ η + f x t ∂ t ∂ η

= f x x   ·   ( 1 2 ) + f x t   ·   ( 1 2 c )

= 1 2 f x x + 1 2 c f x t  ・・・・・・(11)

∂ ∂ η f t = ∂ ∂ x f t   ·   ∂ x ∂ η + ∂ ∂ t f t   ·   ∂ t ∂ η

= f t x ∂ x ∂ η + f t t ∂ t ∂ η

= f t x   ·   ( 1 2 ) + f t t   ·   ( 1 2 c )

= 1 2 f t x + 1 2 c f t t  ・・・・・・(12)

となる.(10)に(11),(12)を代入する.

∂ 2 y ∂η∂ξ = 1 2 ⋅ 1 2 ( f xx + 1 c f xt )− 1 2c ⋅ 1 2 ( f tx + 1 c f tt )

= 1 4 f x x + 1 4 c f x t − 1 4 c f t x − 1 4 c 2 f t t

= 1 4 f x x + 1 4 c f x t − 1 4 c f x t − 1 4 c 2 f t t

= 1 4 f x x − 1 4 c 2 f t t

= 1 4 ∂ 2 y ∂ x 2 − 1 4 c 2 ∂ 2 y ∂ t 2

これに, ∂ 2 y ∂ t 2 = c 2 ∂ 2 y ∂ x 2   を代入すると

∂ 2 y ∂ η ∂ ξ = 1 4 ∂ 2 y ∂ x 2 − 1 4 c 2   ·   c 2 ∂ 2 y ∂ x 2 = 1 4 ∂ 2 y ∂ x 2 − 1 4 ∂ 2 y ∂ x 2 = 0

となりる.

以上より

∂ 2 y ∂ t 2 = c 2 ∂ 2 y ∂ x 2   

に ξ=x−ct , η=x+ct なる変換を行うと

∂ 2 y ∂η∂ξ =0    

となる.

 

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最終更新日: 2023年9月5日