Complex Variables and Partial Differential Equations (3130005)

BE | Semester-3   Winter-2019 | 26-11-2019

Q1) (c) 

Define harmonic function. Show that ux,y = sinh x sin y is a harmonic function. Find its harmonic conjugate vx,y.

Definition:
 
A function ux,y is called harmonic if it is twice continuously differentiable and satisfies ∂2u∂x2 + ∂2u∂y2 = 0.
 
Verification:
 
ux,y = sinh x sin y
 
⇒∂u∂x= sin y cosh x  -----1
 
⇒∂2u∂x2= sin y sinh x
 
& ∂u∂y= sinh x cos y   -----2
 
⇒∂2u∂y2= - sinh x sin y 
 
So, ∂2u∂x2 + ∂2u∂y2 = sinh x sin y - sinh x sin y = 0
 
∴ ux,y is a harmonic function.
 
Harmonic conjugate:
 
Let, fz = u + i v 
 
⇒f'z = ∂u∂x + i ∂v∂x 
 
⇒f'z = ∂u∂x - i ∂v∂y       ∵ CR Equation  
 
⇒f'z =  sin y cosh x - i sinh x cos y      ∵ 1 & 2 
 
⇒f'z =  sin 0 cosh z - i sinh z cos 0      ∵ x=z & y=0 
 
⇒f'z = - i sinh z  ∵ sin 0 = 0 & cos 0 = 1 
 
⇒fz = - i ∫sinh z dz     ∵ Taking Integration 
 
⇒fz = - i cosh z + c
 
⇒fz = - i cosh x + i y + c
 
⇒fz = - i cosh x cosh iy + sinh x sinh iy + c
 
⇒fz = - i cosh x cos y +i sinh x sin y + c    ∵  cosh iy = cos y  &  sinh iy =i sin y 
 
⇒fz = - i cosh x cos y - i2 sinh x sin y + c
 
⇒fz = sinh x sin y - i cosh x cos y + c
 
So, harmonic conjugate is, vx,y = - cosh x cos y + c