5233-l12 Special Solutions of Laplace's Equation

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  • 8/18/2019 5233-l12 Special Solutions of Laplace's Equation

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    5 0

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    2/6

    L E C T U R E 1 2

    S p e c i a l S o l u t i o n s o f L a p l a c e ' s E q u a t i o n  

    1 . S e p a r a t i o n o f V a r i a b l e s w i t h R e s p e c t t o C a r t e s i a n C o o r d i n a t e s

    S u p p o s e

      x y  =  X  x  Y  y  1 2 . 1

    i s a s o l u t i o n o f

    2

     

    @ x 

    2

    2

     

    @ y 

    2

    = 0 1 2 . 2

    T h e n w e m u s t h a v e

    2

    d x 

    2

    +  X 

    2

    d y 

    2

    = 0 1 2 . 3

    A p p l y i n g t h e u s u a l s e p a r a t i o n o f v a r i a b l e s a r g u m e n t , w e n d  

    d

    2

    d x

    2

    +   

    2

    X  = 0   X  x  =  A  s i n   +  B  c o s  

    d

    2

    d y

    2

    ,   

    2

    Y  = 0   Y  y  =  C e

    y

    +  D e

    y

    1 2 . 4

    w h e n t h e s e p a r a t i o n c o n s t a n t K  i s a p o s i t i v e r e a l n u m b e r  

    2

      0 . T h e p o s s i b i l i t y t h a t t h e K  = 0 s h o u l d  

    n o t b e e x c l u d e d , h o w e v e r . F o r t h i s s p e c i a l c a s e w e w o u l d h a v e

    d

    2

    d x

    2

    = 0   X  x  =  a x  +  b

    d

    2

    d y

    2

    = 0   Y  y  =  c y  +  d

    1 2 . 5

    N o r s h o u l d w e e x c l u d e t h e c a s e w h e n   K  =  ,   

    2

      0

    d

    2

    d x

    2

    ,   

    2

    X  = 0   X  x  =  A e

    x

    +  B e

    x

    d

    2

    d y

    2

    +   

    2

    Y  = 0   Y  y  =  C  s i n y  +  D  c o s y 

    1 2 . 6

    T h u s s e p a r a t i o n o f v a r i a b l e s y i e l d s t h r e e 4 - p a r a m e t e r f a m i l i e s o f s o l u t i o n s .

     

    0

    x y  =  a x y  +  b x  +  c y  +  d 

     

    x y  =  A e

    y

    s i n x  +  B e

    y

    s i n x  +  C e

    y

    c o s x  +  D e

    y

    c o s x 

     

    i

    x y  =  A e

    x

    s i n y  +  B e

    x

    s i n y  +  C e

    x

    c o s y  +  D e

    x

    c o s y 

    1 2 . 7

    2 . S e p a r a t i o n o f V a r i a b l e s w i t h R e s p e c t t o P o l a r C o o r d i n a t e s

    I f w e m a k e a c h a n g e o f v a r i a b l e s t o p o l a r c o o r d i n a t e s

    x  =  r c o s

    y  =  r s i n

    r = 

    2

    +  y 

    2

    = t a n  

    1

    ,

    y

    x

    1 2 . 8

    5 1

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    5 2 1 2 . S P E C I A L S O L U T I O N S O F L A P L A C E ' S E Q U A T I O N  

    t h e n  

    @ x 

    @ r

    @ x 

    @ r

    @

    @ x 

    @

    = c o s

    @ r

    s i n

    r

    @

    @ y 

    @ r

    @ y 

    @ r

    @

    @ y 

    @

    = s i n

    @ r

    c o s

    r

    @

    @

    2

    @ x

    2

     

    c o s

    @

    @ r

    s i n

    r

    @

    @

     

    c o s

    @

    @ r

    s i n

    r

    @

    @

    = c o s

    2

    @

    2

    @ r

    2

    ,  2

    s i n c o s

    r

    @

    @ r

    @

    @

    s n

    2

    r

    2

    @

    2

    @

    2

    c o s s i n

    r

    2

    @

    @

    s n

    2

    r

    @

    @ r

    s i n c o s

    r

    @

    @

    @

    2

    @ y

    2

     

    s i n

    @

    @ r

    c o s

    r

    @

    @

     

    s i n

    @

    @ r

    c o s

    r

    @

    @

    = s i n  

    2

    @

    2

    @ r

    2

    2 c o s s i n

    r

    @

    @ r

    @

    @

    c o s

    2

    r

    2

    @

    2

    @

    2

    s i n c o s

    r

    2

    @

    @

    c o s

    2

    r

    @

    @ r

    c o s s i n

    r

    2

    @

    @

    a n d 

    2

    @ x 

    2

    2

    @ y 

    2

    2

    @ r

    2

    1

    r

    @ r

    1

    r

    2

    2

    @

    2

    1 2 . 9

    T h u s , i n p o l a r c o o r d i n a t e s L a p l a c e ' s e q u a t i o n t a k e s t h e f o r m  

    2

     

    @ r

    2

    1

    r

    @  

    @ r

    1

    r

    2

    2

     

    @

    2

    = 0 1 2 . 1 0

    I f w e s e t

      r =  R  r 1 2 . 1 1

    a n d p l u g 1 2 . 1 1 i n t o 1 2 . 1 0 a n d t h e n d i v i d e b y   R  r t h e n w e o b t a i n  

    r R 

     

    r

    2

     

    = 0

    o r

    r

    2

    +  r

    =  , 

     

     

    A p p l y i n g t h e s e p a r a t i o n o f v a r i a b l e s a r g u m e n t w e n o w l o o k f o r s o l u t i o n s o f

    r

    2

    R  +  r R  ,   

    2

    R  = 0

      +   

    2

    = 0

    1 2 . 1 2

    I f  

    2

    6= 0 , t h e n t h e s e c o n d e q u a t i o n h a s a s s o l u t i o n s

    =  A  c o s +  B  s i n   1 2 . 1 3

    I n o r d e r f o r s u c h s o l u t i o n s t o b e c o n t i n u o u s a c r o s s t h e r a y   = 0 i . e . s o t h a t 2   = 0 w e m u s t

    d e m a n d t h a t   =  n  2  N  =  f 1 2 3 ; : : : g . F o r s u c h     t h e r s t e q u a t i o n i n 1 2 . 1 2 i s a n E u l e r - t y p e e q u a t i o n  

    w h i c h h a s a s s o l u t i o n s

    R  r =  A r

    n

    +  B r

    n

    1 2 . 1 4

    I f  

    2

    = 0 , t h e n 1 2 . 1 2 r e d u c e s t o  

    r R  +  R  = 0

      = 0

    1 2 . 1 5

    T h e g e n e r a l s o l u t i o n o f t h e s e c o n d e q u a t i o n i s o b v i o u s l y  

    =  a +  b 1 2 . 1 6

    T o s o l v e t h e r s t , w e s e t W  =  R  s o t h a t w e c a n r e d u c e i t t o t h e f o l l o w i n g r s t o r d e r O D E  

    1

    r

    d r

    l n W  1 2 . 1 7

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    3 P O L Y N O M I A L S O L U T I O N S 5 3

    I n t e g r a t i n g b o t h s i d e s o f t h i s e q u a t i o n y i e l d s

    ,  l n  r = l n W  +  C  1 2 . 1 8

    o r

    W  = 

    r

    1 2 . 1 9

    R e p l a c i n g t h e l e f t h a n d s i d e o f 1 2 . 1 9 R  a n d t h e n i n t e g r a t i n g b o t h s i d e s o f y i e l d s

    R  r =  C  l n  r +  D  1 2 . 2 0

    W e t h u s a r r i v e a t t h e f o l l o w i n g t w o f a m i l i e s o f s o l u t i o n s

     

    n

    r =  A r

    n

    c o s n +  B r

    n

    s i n n +  C r

    n

    c o s n +  D r

    n

    s i n n 1 2 . 2 1

     

    0

    r =  a  l n  r +  b l n  r +  c +  d  1 2 . 2 2

    F r o m t h e s o l u t i o n    

    0

    r w i t h 0 =   a  =  c =  d  , w e c a n i n f e r t h e e x i s t e n c e o f a s o l u t i o n o f t h e f o r m  

      x y  = l n   x  ,  x 

    o

    2

    + y  ,  y 

    o

    2

    I t c a n b e e a s i l y c h e c k e d t h a t t h i s i s t h e o n l y s o l u t i o n u p t o a m u l t i p l i c a t i v e a n d o r a d d i t i v e c o n s t a n t

    o f L a p l a c e ' s e q u a t i o n t h a t d e p e n d s o n l y t h e d i s t a n c e f r o m t h e p o i n t x 

    o

    o

    . I t i s c a l l e d t h e f u n d a m e n t a l

    s o l u t i o n   o f L a p l a c e ' s e q u a t i o n .

    3 . P o l y n o m i a l S o l u t i o n s

    W e h a v e a l r e a d y s e e n t h a t

      x y  =  a x y  +  b x  +  c y  +  d 

    i s a s o l u t i o n o f L a p l a c e ' s e q u a t i o n . L e t u s n o w l o o k t o s e e i f t h e r e a r e o t h e r p o l y n o m i a l s o l u t i o n s . S u p p o s e

      x y  =  A x 

    2

    +  B y 

    2

    t h e n  

    0 = 

    2

     

    @ x 

    2

    2

     

    @ y 

    2

    =  A  +  B    B  =  ,  A

    T h u s ,

      x y  =  A 

    ,

    2

    ,  y 

    2

    i s a s o l u t i o n o f L a p l a c e ' s e q u a t i o n .

    S i m i l a r l y , i f w e s e t

      x y  =  A x 

    3

    +  B x 

    2

    y  +  C x y 

    2

    +  D y 

    3

    t h e n  

    0 = 

    2

     

    @ x 

    2

    2

     

    @ y 

    2

    = 6 A x  + 2 B y  + 2 C x  + 6 D y   

    C  =  ,  3 A 

    B  =  ,  3 D 

    a n d s o  

      x y  =  A 

    ,

    3

    ,  2 x y 

    2

    +  B 

    ,

    3

    ,  3 x 

    2

    w i l l b e a s o l u t i o n o f L a p l a c e ' s e q u a t i o n .

    N o w l e t   x y  b e a n a r b i t r a r y h o m o g e n e o u s p o l y n o m i a l o f d e g r e e n 

      x y  = 

    n

    i = 0

    i

    n i

    i

    1 2 . 2 3

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    5 4 1 2 . S P E C I A L S O L U T I O N S O F L A P L A C E ' S E Q U A T I O N  

    T h e n i f t h i s i s t o b e a s o l u t i o n o f L a p l a c e ' s e q u a t i o n w e m u s t h a v e

    0 = 

    2

     

    @ x 

    2

    2

     

    @ y 

    2

    1 2 . 2 4

    n

    i = 0

    n  ,  i n  ,  i ,  1 a 

    i

    n i 2

    i

    n

    i = 0

    i i ,  1 a 

    i

    n i

    i 2

    1 2 . 2 5

    n 2

    i = 0

    n  ,  i n  ,  i ,  1 a 

    i

    n i 2

    i

    n 2

    i = 0

    i + 2 i + 1 a 

    i + 2

    n 2 i

    i

    1 2 . 2 6

    n 2

    i = 0

    n  ,  i n  ,  i ,  1 a 

    i

    + i + 2 i + 1 a 

    i + 2

    n 2 i

    i

    1 2 . 2 7

    a n d s o 1 2 . 2 3 w i l l b e a s o l u t i o n o f L a p l a c e ' s e q u a t i o n i f t h e c o e c i e n t s a 

    i

    s a t i s f y t h e f o l l o w i n g r e c u r s i o n  

    r e l a t i o n  

    i + 2

    n  ,  i n  ,  i ,  1

    i + 1 i + 2

    i

    1 2 . 2 8

    N o t e t h a t t h e s e r e c u r s i o n r e l a t i o n s i m p l y t h a t f o r e a c h   n  2  N  t h e r e a r e p r e c i s e l y t w o l i n e a r l y i n d e p e n d e n t

    h o m o g e n e o u s p o l y n o m i a l s o l u t i o n s o f L a p l a c e ' s e q u a t i o n s i n c e 1 2 . 2 8 t e l l s t h a t a l l t h e c o e c i e n t s a 

    i

    a r e

    c o m p l e t e l y d e t e r m i n e d b y   a 

    0

    a n d  a 

    1

    4 . S e r i e s S o l u t i o n s

    C o n s i d e r t h e f o l l o w i n g P D E B V P  

     

    r r

    1

    r

     

    r

    1

    r

    2

     

    = 0

      R =  f 

    1 2 . 2 9

    w h i c h i s j u s t L a p l a c e ' s e q u a t i o n i n p o l a r c o o r d i n a t e s w i t h D i r i c h l e t b o u n d a r y c o n d i t i o n s i m p o s e d o n t h e

    b o u n d a r y o f t h e c i r c l e r =  R 

    T o c o n s t r u c t a s o l u t i o n o f 1 2 . 2 9 w e s h a l l r s t e x p a n d t h e s o l u t i o n     r i n a s e r i e s o f - d e p e n d e n t

    e i g e n f u c t i o n s :

      r = 

    1

    2

    0

    r + 

    n = 1

    n

    r c o s n +  b

    n

    r s i n n 1 2 . 3 0

    W e n o t e t h a t t h e t r i g o n o m e t r i c f u n c t i o n s c o s n a n d s i n n a r e e i g e n f u n c t i o n s o f t h e S t u r m - L i o u v i l l e

    p r o b l e m w i t h d i e r e n t i a l e q u a t i o n  

      +   

    2

    = 0

    c o m p a r e w i t h 1 2 . 1 2 a n d b o u n d a r y c o n d i t i o n s

    0 = 2  

    I n s e r t i n g 1 2 . 3 0 i n t o 1 2 . 2 9 w e o b t a i n  

    0 =  a 

    0

    1

    r

    0

    n = 1

    , ,

    n

    1

    r

    n

    c o s n + 

    ,

    b

    n

    1

    r

    b

    n

    s i n n

    n = 1

    ,

    ,  n 

    2

    n

    c o s n ,  n 

    2

    b

    n

    s i n n

    1 2 . 3 1

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    6/6

    4 S E R I E S S O L U T I O N S 5 5

    M u l t i p l y i n g b o t h s i d e s b y c o s n o r s i n n , i n t e g r a t i n g w i t h r e s p e c t t o   f r o m 0 t o 2   , a n d e m p l o y i n g t h e

    i d e n t i t i e s

    2

    0

    c o s n d = 

     

    2 n  = 0

    0 n  6= 0

    2

    0

    s i n n c o s m d = 0 8  n m  2  Z 

    2

    0

    c o s n c o s m d = 

    n m 

    2

    0

    s i n n s i n m d = 

    n m 

    1 2 . 3 2

    w e o b t a i n  

    n

    1

    r

    n

    n

    2

    r

    2

    n

    = 0 n  = 0 1 2 3 ; : : :

    b

    n

    1

    r

    b

    n

    n

    2

    r

    2

    b

    n

    = 0 n  = 1 2 3 ; : : :

    1 2 . 3 3

    T h e s e a r e a l l E u l e r t y p e O D E s w h i c h h a v e a s t h e i r g e n e r a l s o l u t i o n  

    R  r =  A r

    n

    +  B r

    n

    n  6= 0

    R  r =  A  +  B  l n  r n  = 0

    1 2 . 3 4

    I n o r d e r f o r o u r s o l u t i o n t o b e r e g u l a r a t t h e o r i g i n w e m u s t e x c l u d e s o l u t i o n s p r o p o r t i o n a l t o   r

    n

    a n d l n   r

    W e t h e r e f o r e t a k e

    n

    r =  A 

    n

    r

    n

    n  = 0 1 2

    b

    n

    r =  B 

    n

    r

    n

    n  = 1 2 3

    1 2 . 3 5

    t o b e t h e a p p r o p r i a t e s o l u t i o n s o f 1 2 . 3 3 . H e n c e , 1 2 . 2 5 b e c o m e s

      r = 

    1

    2

    0

    n = 1

    n

    r

    n

    c o s n +  B 

    n

    r

    n

    s i n n 1 2 . 3 6

    T o x t h e c o n s t a n t s A 

    n

    n

    w e n o w i m p o s e t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n a t r =  R 

    f  = 

    1

    2

    0

    n = 1

    n

    n

    c o s n +  B 

    n

    n

    s i n n 1 2 . 3 7

    M u l t i p l y i n g b o t h s i d e s o f 1 2 . 3 7 b y c o s m o r s i n m a n d i n t e g r a t i n g f r o m 0 t o 2   t h e n y i e l d s

    n

    1

    n

    2

    0

    f  c o s n d ; n  = 0 1 2 3 ; : : :

    n

    1

    n

    2

    0

    f  s i n n d ; n  = 1 2 3 ; : : :

    1 2 . 3 8

    H o m e w o r k : P r o b l e m 4 . 5 . 4