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UPSC 2022 Maths Optional Paper 2 Q8a — Step-by-Step Solution 15 marks · Section B
Classification and reduction to canonical form · PDEs · asked 8× in 13 yrs · Read the full method →
Question
Reduce y u x x + ( x + y ) u x y + x u y y = 0 yu_{xx}+(x+y)u_{xy}+xu_{yy}=0 y u xx + ( x + y ) u x y + x u y y = 0 to canonical form and solve.
Technique
Compute discriminant (hyperbolic); solve characteristic ODEs A ( y ′ ) 2 − 2 B y ′ + C = 0 A(y')^2-2By'+C=0 A ( y ′ ) 2 − 2 B y ′ + C = 0 to find ξ , η \xi,\eta ξ , η ; transform all derivatives; canonical form reduces to a first-order ODE in u ξ u_\xi u ξ .
Solution
Identify type. A = y A=y A = y , 2 B = x + y 2B=x+y 2 B = x + y (so B = ( x + y ) / 2 B=(x+y)/2 B = ( x + y ) /2 ), C = x C=x C = x .
Discriminant: B 2 − A C = ( x + y ) 2 4 − x y = x 2 + 2 x y + y 2 − 4 x y 4 = ( x − y ) 2 4 B^2-AC=\dfrac{(x+y)^2}{4}-xy=\dfrac{x^2+2xy+y^2-4xy}{4}=\dfrac{(x-y)^2}{4} B 2 − A C = 4 ( x + y ) 2 − x y = 4 x 2 + 2 x y + y 2 − 4 x y = 4 ( x − y ) 2 .
For x ≠ y x\ne y x = y : B 2 − A C > 0 B^2-AC>0 B 2 − A C > 0 , hyperbolic .
For x = y x=y x = y : B 2 − A C = 0 B^2-AC=0 B 2 − A C = 0 , parabolic line.
Step 1 — Characteristic equations (hyperbolic case)
A ( d y / d x ) 2 − 2 B ( d y / d x ) + C = 0 A(dy/dx)^2-2B(dy/dx)+C=0 A ( d y / d x ) 2 − 2 B ( d y / d x ) + C = 0 :
y ( d y / d x ) 2 − ( x + y ) ( d y / d x ) + x = 0 y(dy/dx)^2-(x+y)(dy/dx)+x=0 y ( d y / d x ) 2 − ( x + y ) ( d y / d x ) + x = 0 .
Treat as quadratic in d y / d x dy/dx d y / d x :
d y / d x = ( x + y ) ± ( x + y ) 2 − 4 x y 2 y = ( x + y ) ± ∣ x − y ∣ 2 y dy/dx=\dfrac{(x+y)\pm\sqrt{(x+y)^2-4xy}}{2y}=\dfrac{(x+y)\pm|x-y|}{2y} d y / d x = 2 y ( x + y ) ± ( x + y ) 2 − 4 x y = 2 y ( x + y ) ± ∣ x − y ∣ .
For x > y x>y x > y : ∣ x − y ∣ = x − y |x-y|=x-y ∣ x − y ∣ = x − y :
( d y / d x ) + = ( x + y ) + ( x − y ) 2 y = 2 x 2 y = x / y (dy/dx)_+=\dfrac{(x+y)+(x-y)}{2y}=\dfrac{2x}{2y}=x/y ( d y / d x ) + = 2 y ( x + y ) + ( x − y ) = 2 y 2 x = x / y .
( d y / d x ) − = ( x + y ) − ( x − y ) 2 y = 2 y 2 y = 1 (dy/dx)_-=\dfrac{(x+y)-(x-y)}{2y}=\dfrac{2y}{2y}=1 ( d y / d x ) − = 2 y ( x + y ) − ( x − y ) = 2 y 2 y = 1 .
First family: d y / d x = x / y ⇒ y d y = x d x ⇒ y 2 − x 2 = dy/dx=x/y\Rightarrow y\,dy=x\,dx\Rightarrow y^2-x^2= d y / d x = x / y ⇒ y d y = x d x ⇒ y 2 − x 2 = const. So ξ = y 2 − x 2 \xi=y^2-x^2 ξ = y 2 − x 2 .
Second family: d y / d x = 1 ⇒ y − x = dy/dx=1\Rightarrow y-x= d y / d x = 1 ⇒ y − x = const. So η = y − x \eta=y-x η = y − x .
ξ = y 2 − x 2 \xi=y^2-x^2 ξ = y 2 − x 2 , η = y − x \eta=y-x η = y − x .
ξ x = − 2 x \xi_x=-2x ξ x = − 2 x , ξ y = 2 y \xi_y=2y ξ y = 2 y , η x = − 1 \eta_x=-1 η x = − 1 , η y = 1 \eta_y=1 η y = 1 .
u x = u ξ ξ x + u η η x = − 2 x u ξ − u η u_x=u_\xi\xi_x+u_\eta\eta_x=-2x u_\xi-u_\eta u x = u ξ ξ x + u η η x = − 2 x u ξ − u η .
u y = u ξ ξ y + u η η y = 2 y u ξ + u η u_y=u_\xi\xi_y+u_\eta\eta_y=2y u_\xi+u_\eta u y = u ξ ξ y + u η η y = 2 y u ξ + u η .
u x x = ∂ x ( − 2 x u ξ − u η ) = − 2 u ξ − 2 x ( u ξ ξ ξ x + u ξ η η x ) − ( u η ξ ξ x + u η η η x ) u_{xx}=\partial_x(-2x u_\xi-u_\eta)=-2u_\xi-2x(u_{\xi\xi}\xi_x+u_{\xi\eta}\eta_x)-(u_{\eta\xi}\xi_x+u_{\eta\eta}\eta_x) u xx = ∂ x ( − 2 x u ξ − u η ) = − 2 u ξ − 2 x ( u ξ ξ ξ x + u ξ η η x ) − ( u η ξ ξ x + u η η η x )
= − 2 u ξ − 2 x ( − 2 x u ξ ξ − u ξ η ) − ( − 2 x u ξ η − u η η ) =-2u_\xi-2x(-2x u_{\xi\xi}-u_{\xi\eta})-(-2x u_{\xi\eta}-u_{\eta\eta}) = − 2 u ξ − 2 x ( − 2 x u ξ ξ − u ξ η ) − ( − 2 x u ξ η − u η η )
= − 2 u ξ + 4 x 2 u ξ ξ + 2 x u ξ η + 2 x u ξ η + u η η =-2u_\xi+4x^2 u_{\xi\xi}+2x u_{\xi\eta}+2x u_{\xi\eta}+u_{\eta\eta} = − 2 u ξ + 4 x 2 u ξ ξ + 2 x u ξ η + 2 x u ξ η + u η η
= 4 x 2 u ξ ξ + 4 x u ξ η + u η η − 2 u ξ =4x^2 u_{\xi\xi}+4x u_{\xi\eta}+u_{\eta\eta}-2u_\xi = 4 x 2 u ξ ξ + 4 x u ξ η + u η η − 2 u ξ .
u y y = ∂ y ( 2 y u ξ + u η ) = 2 u ξ + 2 y ( u ξ ξ ξ y + u ξ η η y ) + ( u η ξ ξ y + u η η η y ) u_{yy}=\partial_y(2y u_\xi+u_\eta)=2u_\xi+2y(u_{\xi\xi}\xi_y+u_{\xi\eta}\eta_y)+(u_{\eta\xi}\xi_y+u_{\eta\eta}\eta_y) u y y = ∂ y ( 2 y u ξ + u η ) = 2 u ξ + 2 y ( u ξ ξ ξ y + u ξ η η y ) + ( u η ξ ξ y + u η η η y )
= 2 u ξ + 2 y ( 2 y u ξ ξ + u ξ η ) + ( 2 y u ξ η + u η η ) =2u_\xi+2y(2y u_{\xi\xi}+u_{\xi\eta})+(2y u_{\xi\eta}+u_{\eta\eta}) = 2 u ξ + 2 y ( 2 y u ξ ξ + u ξ η ) + ( 2 y u ξ η + u η η )
= 4 y 2 u ξ ξ + 4 y u ξ η + u η η + 2 u ξ =4y^2 u_{\xi\xi}+4y u_{\xi\eta}+u_{\eta\eta}+2u_\xi = 4 y 2 u ξ ξ + 4 y u ξ η + u η η + 2 u ξ .
u x y = ∂ y ( − 2 x u ξ − u η ) = − 2 x ( u ξ ξ ⋅ 2 y + u ξ η ⋅ 1 ) − ( u η ξ ⋅ 2 y + u η η ⋅ 1 ) u_{xy}=\partial_y(-2x u_\xi-u_\eta)=-2x(u_{\xi\xi}\cdot 2y+u_{\xi\eta}\cdot 1)-(u_{\eta\xi}\cdot 2y+u_{\eta\eta}\cdot 1) u x y = ∂ y ( − 2 x u ξ − u η ) = − 2 x ( u ξ ξ ⋅ 2 y + u ξ η ⋅ 1 ) − ( u η ξ ⋅ 2 y + u η η ⋅ 1 )
= − 4 x y u ξ ξ − 2 x u ξ η − 2 y u ξ η − u η η =-4xy u_{\xi\xi}-2x u_{\xi\eta}-2y u_{\xi\eta}-u_{\eta\eta} = − 4 x y u ξ ξ − 2 x u ξ η − 2 y u ξ η − u η η
= − 4 x y u ξ ξ − 2 ( x + y ) u ξ η − u η η =-4xy u_{\xi\xi}-2(x+y)u_{\xi\eta}-u_{\eta\eta} = − 4 x y u ξ ξ − 2 ( x + y ) u ξ η − u η η .
Step 3 — Substitute into PDE
y u x x + ( x + y ) u x y + x u y y y u_{xx}+(x+y)u_{xy}+x u_{yy} y u xx + ( x + y ) u x y + x u y y :
y u x x = y [ 4 x 2 u ξ ξ + 4 x u ξ η + u η η − 2 u ξ ] y u_{xx}=y[4x^2 u_{\xi\xi}+4x u_{\xi\eta}+u_{\eta\eta}-2u_\xi] y u xx = y [ 4 x 2 u ξ ξ + 4 x u ξ η + u η η − 2 u ξ ]
= 4 x 2 y u ξ ξ + 4 x y u ξ η + y u η η − 2 y u ξ =4x^2 y u_{\xi\xi}+4xy u_{\xi\eta}+y u_{\eta\eta}-2y u_\xi = 4 x 2 y u ξ ξ + 4 x y u ξ η + y u η η − 2 y u ξ .
( x + y ) u x y = ( x + y ) [ − 4 x y u ξ ξ − 2 ( x + y ) u ξ η − u η η ] (x+y)u_{xy}=(x+y)[-4xy u_{\xi\xi}-2(x+y)u_{\xi\eta}-u_{\eta\eta}] ( x + y ) u x y = ( x + y ) [ − 4 x y u ξ ξ − 2 ( x + y ) u ξ η − u η η ]
= − 4 x y ( x + y ) u ξ ξ − 2 ( x + y ) 2 u ξ η − ( x + y ) u η η =-4xy(x+y)u_{\xi\xi}-2(x+y)^2 u_{\xi\eta}-(x+y)u_{\eta\eta} = − 4 x y ( x + y ) u ξ ξ − 2 ( x + y ) 2 u ξ η − ( x + y ) u η η .
x u y y = x [ 4 y 2 u ξ ξ + 4 y u ξ η + u η η + 2 u ξ ] x u_{yy}=x[4y^2 u_{\xi\xi}+4y u_{\xi\eta}+u_{\eta\eta}+2u_\xi] x u y y = x [ 4 y 2 u ξ ξ + 4 y u ξ η + u η η + 2 u ξ ]
= 4 x y 2 u ξ ξ + 4 x y u ξ η + x u η η + 2 x u ξ =4xy^2 u_{\xi\xi}+4xy u_{\xi\eta}+x u_{\eta\eta}+2x u_\xi = 4 x y 2 u ξ ξ + 4 x y u ξ η + x u η η + 2 x u ξ .
Sum coefficient of u ξ ξ u_{\xi\xi} u ξ ξ :
4 x 2 y − 4 x y ( x + y ) + 4 x y 2 = 4 x y [ x − ( x + y ) + y ] = 4 x y ⋅ 0 = 0 4x^2 y-4xy(x+y)+4xy^2=4xy[x-(x+y)+y]=4xy\cdot 0=0 4 x 2 y − 4 x y ( x + y ) + 4 x y 2 = 4 x y [ x − ( x + y ) + y ] = 4 x y ⋅ 0 = 0 ✓.
Sum coefficient of u ξ η u_{\xi\eta} u ξ η :
4 x y − 2 ( x + y ) 2 + 4 x y = 8 x y − 2 ( x 2 + 2 x y + y 2 ) = 8 x y − 2 x 2 − 4 x y − 2 y 2 = − 2 x 2 + 4 x y − 2 y 2 = − 2 ( x − y ) 2 4xy-2(x+y)^2+4xy=8xy-2(x^2+2xy+y^2)=8xy-2x^2-4xy-2y^2=-2x^2+4xy-2y^2=-2(x-y)^2 4 x y − 2 ( x + y ) 2 + 4 x y = 8 x y − 2 ( x 2 + 2 x y + y 2 ) = 8 x y − 2 x 2 − 4 x y − 2 y 2 = − 2 x 2 + 4 x y − 2 y 2 = − 2 ( x − y ) 2 .
Sum coefficient of u η η u_{\eta\eta} u η η :
y − ( x + y ) + x = 0 y-(x+y)+x=0 y − ( x + y ) + x = 0 ✓.
Sum coefficient of u ξ u_\xi u ξ :
− 2 y + 0 + 2 x = 2 ( x − y ) -2y+0+2x=2(x-y) − 2 y + 0 + 2 x = 2 ( x − y ) .
Sum coefficient of u η u_\eta u η : 0 0 0 (no u η u_\eta u η terms in expansions).
So PDE becomes:
− 2 ( x − y ) 2 u ξ η + 2 ( x − y ) u ξ = 0 -2(x-y)^2 u_{\xi\eta}+2(x-y)u_\xi=0 − 2 ( x − y ) 2 u ξ η + 2 ( x − y ) u ξ = 0 ,
( x − y ) 2 u ξ η = ( x − y ) u ξ (x-y)^2 u_{\xi\eta}=(x-y)u_\xi ( x − y ) 2 u ξ η = ( x − y ) u ξ ,
( x − y ) u ξ η = u ξ (x-y)u_{\xi\eta}=u_\xi ( x − y ) u ξ η = u ξ (assuming x ≠ y x\ne y x = y ).
Express x − y x-y x − y in terms of ξ , η \xi,\eta ξ , η : η = y − x = − ( x − y ) \eta=y-x=-(x-y) η = y − x = − ( x − y ) , so x − y = − η x-y=-\eta x − y = − η .
− η ⋅ u ξ η = u ξ -\eta\cdot u_{\xi\eta}=u_\xi − η ⋅ u ξ η = u ξ , i.e.
η u ξ η + u ξ = 0. \eta u_{\xi\eta}+u_\xi=0. η u ξ η + u ξ = 0.
Let v = u ξ v=u_\xi v = u ξ . Then η v η + v = 0 \eta v_\eta+v=0 η v η + v = 0 , i.e., ∂ η ( v η ) = 0 \partial_\eta(v\eta)=0 ∂ η ( v η ) = 0 .
So v η = g ( ξ ) v\eta=g(\xi) v η = g ( ξ ) for some function g g g . I.e., u ξ = g ( ξ ) / η u_\xi=g(\xi)/\eta u ξ = g ( ξ ) / η .
Integrate w.r.t. ξ \xi ξ : u = G ( ξ ) / η + h ( η ) u=G(\xi)/\eta+h(\eta) u = G ( ξ ) / η + h ( η ) where G ( ξ ) = ∫ g ( ξ ) d ξ G(\xi)=\int g(\xi)d\xi G ( ξ ) = ∫ g ( ξ ) d ξ .
Renaming arbitrary functions: G ( ξ ) G(\xi) G ( ξ ) is arbitrary, so:
Answer
u ( ξ , η ) = F ( ξ ) η + H ( η ) , \boxed{\;u(\xi,\eta)=\dfrac{F(\xi)}{\eta}+H(\eta),\;} u ( ξ , η ) = η F ( ξ ) + H ( η ) ,