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--- 전산물리학:모멘트법 [2025/03/14 10:47] – [예] admin
+++ 전산물리학:모멘트법 [2025/03/14 13:12] (current) – admin
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 이고, 이때 $A_{mn} \equiv \left< w_m(x), L\left[ u_n(x) \right] \right>$이다. 이 선형방정식을 풀면 계수 $\{a_n\}$을 얻는다.
-=====예=====
+=====1차원 미분방정식의 예=====
 $0<x<1$에서 정의된 다음과 같은 미분방정식을 생각하자:
 $$\frac{d^2U}{dx^2} = -x^2.$$
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 $N=2$까지만을 사용하면
 $$U(x) \approx a_1 u_1(x) + a_2 u_2(x)= a_1(x-x^2) + a_2(x-x^3)$$
-이고, 가중치 함수는 $w_m(x) = u_m(x)$로 동일하게 놓자.
+이고, 편의상 가중치 함수를 $w_m(x) = u_m(x)$로 기저 함수와 동일하게 놓자.
 \begin{eqnarray*}
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 삼각함수를 기저함수로 사용해서 $U(x) \approx a_1 \sin\pi x + a_2 \sin 2\pi x$로 계산을 반복해보는 것도 좋은 연습이다.
 답은 $a_1 = (2\pi^2-8)/\pi^5$과 $a_2 = 1/(4\pi^3)$.
+====그린 함수====
+앞의 예를 [[수학:그린 함수]]와 연결지어 생각해볼 수도 있다. 아래와 같은 미분방정식을 먼저 생각해보자.
+$$\frac{d^2}{dx^2} g(x;x')= \delta\left(x-x'\right)$$
+그리고 해를 $g\left(x,x'\right) \approx a_1\left(x'\right) \sin\pi x + a_2\left(x'\right) \sin 2\pi x$로 가정하자.
+이 가정된 해를 대입하고 $\sin\pi x$를 양변에 곱해 적분하면
+$$-\frac{1}{2}\pi^2 a_1\left(x'\right) = \int_0^1 \delta\left(x-x'\right) \sin\pi x dx = \sin \pi x'$$
+이고 $\sin 2\pi x$를 곱해 적분하면
+$$-\frac{1}{2}4\pi^2 a_2\left(x'\right) = \int_0^1 \delta\left(x-x'\right) \sin 2\pi x dx = \sin 2\pi x'$$
+로서, $a_1$과 $a_2$를 바로 구할 수 있다. 삼각함수의 직교성인 다음 성질이 사용되었다:
+$$\int_0^L \sin\frac{m\pi x}{L} \sin\frac{n \pi x}{L} = \frac{L}{2} \delta_{mn}.$$
+따라서 답은
+$$g\left(x;x'\right) = -\frac{2}{\pi^2} \sin\pi x \sin \pi x' - \frac{1}{2\pi^2} \sin 2\pi x \sin 2\pi x'$$
+이며, 이를 통해 원래의 식을 풀어보면
+$$U(x) = \int_0^1 \left[ -\left(x'\right)^2 \right] g\left(x;x'\right)dx' = -\frac{16-4\pi^2+\pi^2\cos\pi x}{2\pi^5} \sin\pi x$$
+로서 모멘트 방법을 써서 구한 결과와 일치한다.
+=====2차원 미분방정식의 예=====
+차원의 면 $[0,a]\times[0,b]$에서 정의된 2차원 미분방정식 $\nabla^2 V = f$를 생각하자. 경계조건은 $V(0,y)=V(a,y)=V(x,0)=V(x,b)=0$이다.
+그린 함수 $G$는 $\nabla^2 G = \delta^{(2)} \left(\vec{r} - \vec{r}'\right)$을 만족한다.
+기저함수가 $\nabla^2 \Psi = \lambda \Psi$를 만족한다고 가정하면
+$$\Psi_{mn} = \frac{2}{\sqrt{ab}} \sin\frac{m\pi x}{a} \sin\frac{n\pi y}{b}$$
+이고 고윳값은
+$$\lambda_{mn} = - \left( \frac{m^2 \pi^2}{a^2} + \frac{n^2 \pi^2}{b^2} \right)$$
+이다. 그린 함수를 이 기저로 전개하여 쓰면
+$$G\left( x,y;x',y' \right) = \frac{2}{\sqrt{ab}} \sum_{m=1}^\infty \sum_{n=1}^\infty A_{mn}\left(x',y'\right) \sin\frac{m\pi x}{a} \sin\frac{n\pi y}{b}$$
+이고, 기저함수를 곱하여 적분하면 직교성의 결과로 다음을 얻는다:
+\begin{eqnarray*}
+\int_0^b \int_0^a \sin\frac{m'\pi x}{a} \sin\frac{n'\pi y}{b} \nabla^2 G dx dy &=& \int_0^b \int_0^a \sin\frac{m'\pi x}{a} \sin\frac{n'\pi y}{b} \delta^{(2)} \left(\vec{r} - \vec{r}'\right) dx dy\\
+\frac{2}{\sqrt{ab}} \frac{a}{2} \frac{b}{2} A_{m'n'}\left(x',y'\right) \lambda_{m'n'} &=& \sin\frac{m'\pi x'}{a} \sin\frac{n'\pi y'}{b}\\
+A_{mn}\left(x', y'\right) &=& \frac{2}{\sqrt{ab}} \frac{1}{\lambda_{mn}} \sin\frac{m\pi x'}{a} \sin\frac{n\pi y'}{b}
+\end{eqnarray*}
+따라서 그린 함수는
+$$G\left( x,y;x',y' \right) = -\frac{4}{ab} \sum_{m,n} \frac{\sin\frac{m\pi x}{a} \sin\frac{n\pi y}{b} \sin\frac{m\pi x'}{a} \sin\frac{n\pi y'}{b}}{m^2 \pi^2 / a^2 + n^2 \pi^2 / b^2}$$
+이고, 원래 방정식의 해는 다음과 같다:
+$$V(x,y) = \int_0^b \int_0^a f\left(x',y'\right) G\left(x,y; x',y'\right) dx' dy'.$$
 ======참고문헌======
   * Matthew N.O. Sadiku, //Computational Electromagnetics with MATLAB//, (CRC Press, Boca Raton, FL, 2019).