問題を解くのに必要な知識を確認するにはこのグラフ図を利用してください.

合成関数の2次偏導関数

■問題

z=f( x,y ),x=ucosθvsinθ, y=usinθ+vcosθ のとき

2 z x 2 + 2 z y 2 = 2 z u 2 + 2 z v 2

となることを示せ.

■ヒント

右辺を変形して左辺を導く. x y u v でそれぞれ2回偏微分する. 求めた式を 合成関数の2次偏導関数の公式に 代入する.

■解説

x u 偏微分すると

x u = cos θ

これを更に u 偏微分すると

2 x u 2 = u ( x u ) = u ( cos θ ) = 0  

同様の手順で y u 偏微分をすると

y u = sin θ

更に, y u 偏微分する. 

2 y u 2 = u ( y u ) = u ( sin θ ) = 0

よって, 2 z u 2 合成関数の2次偏導関数の公式より

2 z u 2 = f x x ( x u ) 2 + 2 f x y x u y u + f y y ( y u ) 2 + f x 2 x u 2 + f y 2 y u 2

= f x x ( cos θ ) 2 + 2 f x y cos θ sin θ + f y y ( sin θ ) 2 + f x · 0 + f y · 0

= f x x cos 2 θ + 2 f x y sin θ cos θ + f y y sin 2 θ  ・・・・・・(1)

更に, v についても同様に偏微分すると

x v = sin θ

2 x v 2 = v ( x v ) = v ( sin θ ) = 0

y v = cos θ

2 y u 2 = u ( y u ) = v ( cos θ ) = 0

よって, 2 z v 2 合成関数の2次偏導関数の公式より

2 z v 2 = f x x ( x v ) 2 + 2 f x y x v y v + f y y ( y v ) 2 + f x 2 x v 2 + f y 2 y v 2

= f x x ( sin θ ) 2 + 2 f x y ( sin θ ) cos θ + f y y ( cos θ ) 2 + f x · 0 + f y · 0

= f x x sin 2 θ 2 f x y sin θ cos θ + f y y cos 2 θ  ・・・・・・(2)

(1),(2)より

2 z u 2 + 2 z v 2

= ( f x x cos 2 θ + 2 f x y sin θ cos θ + f y y sin 2 θ ) + ( f x x sin 2 θ 2 f x y sin θ cos θ + f y y cos 2 θ )

= f x x cos 2 θ + 2 f x y sin θ cos θ + f y y sin 2 θ + f x x sin 2 θ 2 f x y sin θ cos θ + f y y cos 2 θ

= ( cos 2 θ + sin 2 θ ) f x x + ( sin 2 θ + cos 2 θ ) f y y

= f x x + f y y

= 2 z x 2 + 2 z y 2

となる.したがって

2 z x 2 + 2 z y 2 = 2 z u 2 + 2 z v 2

 

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学生スタッフ作成

最終更新日: 2023年9月1日

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