Funktionen är f(u(x, y), v(x, y)), u = x² + y och v = x, och vi får från kedjeregeln:
∂f/∂x = ∂f/∂u·∂u/∂x + ∂f/∂v·∂v/∂x = ∂f/∂u·2x + ∂f/∂v·1 = ∂f/∂u·2x + ∂f/∂v
∂f/∂y = ∂f/∂u·∂u/∂y + ∂f/∂v·∂v/∂y = ∂f/∂u·1 + ∂f/∂v·0 = ∂f/∂u
Eftersom PDE:n innehåller partiella andraderivator måste vi transformera en gång till vilket verkar vara ditt problem. Kom ihåg, ∂f/∂u, ∂f/∂v är fortfarande funktioner av samma variabler och kedjeregeln tillämpas på dessa precis som vi gjorde på grundfunktionen.
∂²f/∂x² = ∂/∂x (∂f/∂u·2x + ∂f/∂v) = ∂²f/∂u² ·∂u/∂x ·2x + ∂²f/∂u∂v·∂v/∂x·2x + ∂f/∂u·2 + ∂²f/∂v²·∂v/∂x + ∂²f/∂v∂u·∂u/∂x = ∂²f/∂u²·4x² + ∂²f/∂u∂v·2x + ∂f/∂u·2 + ∂²f/∂v² + ∂²f/∂v∂u·2x = 4x²·∂²f/∂u² + 4x·∂²f/∂u∂v + ∂²f/∂v² + 2·∂f/∂u
Gjorde det väldigt tydligt ovan, transformerar endast nu:
∂²f/∂y² = ∂/∂y (∂f/∂u) = ∂²f/∂u²·1 + ∂²f/∂u∂v·0 = ∂²f/∂u²
∂²f/∂y∂x = ∂²f/∂x∂y = ∂/∂x (∂f/∂u) = ∂²f/∂u²·2x + ∂²f/∂u∂v·1 = 2x·∂²f/∂u² + ∂²f/∂u∂v
Vi har alltså ∂²f/∂x² - 4x·∂²f/∂x∂y + 4x²·∂²f/∂y² - 2·∂f/∂y = 0 och vi sätter in transformationerna:
4x²·∂²f/∂u² + 4x·∂²f/∂u∂v + ∂²f/∂v² + 2·∂f/∂u - 4x·(2x·∂²f/∂u² + ∂²f/∂u∂v) + 4x²·∂²f/∂u² - 2·∂f/∂u = 4x²·∂²f/∂u² + 4x·∂²f/∂u∂v + ∂²f/∂v² + 2·∂f/∂u - 8x²·∂²f/∂u² - 4x·∂²f/∂u∂v + 4x²·∂²f/∂u² - 2·∂f/∂u = 4x·∂²f/∂v² = 0
Vi får alltså med variabelbytet v = x differentialekvationen: 4v·∂²f/∂v² = 0 och om v ≠ 0 så får vi ∂²f/∂v² = 0 ⇒ ∂f/∂v = Ψ(u) ⇒ f = v·Ψ(u) + Φ(u) där Ψ, Φ ∈ C¹. Vi får alltså f(x, y) = x·Ψ(x² + y) + Φ(x² + y). Kan inte garantera att jag har gjort allting rätt, men att den transformerade differentialekvationen går att lösa brukar vara en god indikation.
Testa till exempel f(x, y) = x³ + xy + x² + y och du ser att den uppfyller PDE:n utan problem.
∂f/∂x = ∂f/∂u·∂u/∂x + ∂f/∂v·∂v/∂x = ∂f/∂u·2x + ∂f/∂v·1 = ∂f/∂u·2x + ∂f/∂v
∂f/∂y = ∂f/∂u·∂u/∂y + ∂f/∂v·∂v/∂y = ∂f/∂u·1 + ∂f/∂v·0 = ∂f/∂u
Eftersom PDE:n innehåller partiella andraderivator måste vi transformera en gång till vilket verkar vara ditt problem. Kom ihåg, ∂f/∂u, ∂f/∂v är fortfarande funktioner av samma variabler och kedjeregeln tillämpas på dessa precis som vi gjorde på grundfunktionen.
∂²f/∂x² = ∂/∂x (∂f/∂u·2x + ∂f/∂v) = ∂²f/∂u² ·∂u/∂x ·2x + ∂²f/∂u∂v·∂v/∂x·2x + ∂f/∂u·2 + ∂²f/∂v²·∂v/∂x + ∂²f/∂v∂u·∂u/∂x = ∂²f/∂u²·4x² + ∂²f/∂u∂v·2x + ∂f/∂u·2 + ∂²f/∂v² + ∂²f/∂v∂u·2x = 4x²·∂²f/∂u² + 4x·∂²f/∂u∂v + ∂²f/∂v² + 2·∂f/∂u
Gjorde det väldigt tydligt ovan, transformerar endast nu:
∂²f/∂y² = ∂/∂y (∂f/∂u) = ∂²f/∂u²·1 + ∂²f/∂u∂v·0 = ∂²f/∂u²
∂²f/∂y∂x = ∂²f/∂x∂y = ∂/∂x (∂f/∂u) = ∂²f/∂u²·2x + ∂²f/∂u∂v·1 = 2x·∂²f/∂u² + ∂²f/∂u∂v
Vi har alltså ∂²f/∂x² - 4x·∂²f/∂x∂y + 4x²·∂²f/∂y² - 2·∂f/∂y = 0 och vi sätter in transformationerna:
4x²·∂²f/∂u² + 4x·∂²f/∂u∂v + ∂²f/∂v² + 2·∂f/∂u - 4x·(2x·∂²f/∂u² + ∂²f/∂u∂v) + 4x²·∂²f/∂u² - 2·∂f/∂u = 4x²·∂²f/∂u² + 4x·∂²f/∂u∂v + ∂²f/∂v² + 2·∂f/∂u - 8x²·∂²f/∂u² - 4x·∂²f/∂u∂v + 4x²·∂²f/∂u² - 2·∂f/∂u = 4x·∂²f/∂v² = 0
Vi får alltså med variabelbytet v = x differentialekvationen: 4v·∂²f/∂v² = 0 och om v ≠ 0 så får vi ∂²f/∂v² = 0 ⇒ ∂f/∂v = Ψ(u) ⇒ f = v·Ψ(u) + Φ(u) där Ψ, Φ ∈ C¹. Vi får alltså f(x, y) = x·Ψ(x² + y) + Φ(x² + y). Kan inte garantera att jag har gjort allting rätt, men att den transformerade differentialekvationen går att lösa brukar vara en god indikation.
Testa till exempel f(x, y) = x³ + xy + x² + y och du ser att den uppfyller PDE:n utan problem.
