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波動方程式の変換

■問題

において,1次元の波動方程式

なる変換を行うと

となることを示せ.

■ヒント

最初に より, で表す.

で偏微分した後,更に 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

 ・・・・・・(1)

 ・・・・・・(2)

とおく.

(1) を変形すると

これを (2) に代入して整理すると

 ・・・・・・(3)

となる.更に,これを (1) に代入し整理すると

 ・・・・・・(4)

となる.

(4)よりで偏微分すると

 ・・・・・・(5)

次に,(3)よりで偏微分すると

 ・・・・・・(6)

同様の手順で で偏微分をすると

 ・・・・・・(7)

 ・・・・・・(8)

(5),(6)より で偏微分すると(合成関数の偏導関数の公式を参照)

 ・・・・・・(9)

これを更に で偏微分すると

(9)を代入する.

 ・・・・・・(10)

ここで, は,合成関数 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, は,どちらも合成関数の偏微分となるので

 ・・・・・・(11)

 ・・・・・・(12)

となる.(10)に(11),(12)を代入する.

これに, を代入すると

となりる.

以上より

なる変換を行うと

となる.

 

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学生スタッフ作成

最終更新日: 2023年9月5日