合成関数の2次偏導関数の導出

合成関数の2次偏導関数の導出

z=f( x,y ) で x=φ( u,v ),y=ψ( u,v ) ならば

∂ 2 z ∂ u 2 = f xx ( ∂x ∂u ) 2 +2 f xy ∂x ∂u ∂y ∂u + f yy ( ∂y ∂u ) 2 + f x ∂ 2 x ∂ u 2 + f y ∂ 2 y ∂ u 2

もしくは,

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

■導出

∂ 2 z ∂ u 2 = ∂ ∂ u ( ∂ z ∂ u )

= ∂ ∂ u ( f x ∂ x ∂ u + f y ∂ y ∂ u )

= ∂ ∂ u ( ∂ z ∂ x ∂ x ∂ u + ∂ z ∂ y ∂ y ∂ u )

= ∂ ∂ u ( ∂ z ∂ x ∂ x ∂ u ) + ∂ ∂ u ( ∂ z ∂ y ∂ y ∂ u )

={ ∂ ∂u ( ∂z ∂x )⋅ ∂x ∂u + ∂z ∂x ⋅ ∂ ∂u ( ∂x ∂u ) } +{ ∂ ∂u ( ∂z ∂y )⋅ ∂y ∂u + ∂z ∂y ⋅ ∂ ∂u ( ∂y ∂u ) }

= { ∂ ∂ u ( ∂ z ∂ x )   ·   ∂ x ∂ u + ∂ z ∂ x ∂ 2 x ∂ u 2 } + { ∂ ∂ u ( ∂ z ∂ y )   ·   ∂ y ∂ u + ∂ z ∂ y ∂ 2 y ∂ u 2 }

条件から,     ∂ z ∂ x   ,     ∂ z ∂ y     は共に合成関数であるから,これらを     u     で偏微分すると,

∂ ∂u ( ∂z ∂x )= ∂ ∂x ( ∂z ∂x )⋅ ∂x ∂u + ∂ ∂y ( ∂z ∂x )⋅ ∂y ∂u

= ∂ 2 z ∂ x 2 ∂ x ∂ u + ∂ 2 z ∂ y ∂ x ∂ y ∂ u

∂ ∂u ( ∂z ∂y )= ∂ ∂x ( ∂z ∂y )⋅ ∂x ∂u + ∂ ∂y ( ∂z ∂y )⋅ ∂y ∂u

= ∂ 2 z ∂ x ∂ y ∂ x ∂ u + ∂ 2 z ∂ y 2 ∂ y ∂ u

これらを代入して,

∂ 2 z ∂ u 2 ={ ( ∂ 2 z ∂ x 2 ∂x ∂u + ∂ 2 z ∂y∂x ∂y ∂u )⋅ ∂x ∂u + ∂z ∂x ∂ 2 x ∂ u 2 } +{ ( ∂ 2 z ∂x∂y ∂x ∂u + ∂ 2 z ∂ y 2 ∂y ∂u )⋅ ∂y ∂u + ∂z ∂y ∂ 2 y ∂ u 2 }

={ ∂ 2 z ∂ x 2 ( ∂x ∂u ) 2 + ∂ 2 z ∂y∂x ∂y ∂u ∂x ∂u + ∂z ∂x ∂ 2 x ∂ u 2 } +{ ∂ 2 z ∂x∂y ∂x ∂u ∂y ∂u + ∂ 2 z ∂ y 2 ( ∂y ∂u ) 2 + ∂z ∂y ∂ 2 y ∂ u 2 }

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

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

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

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

f yx = f xy より(ここを参照)

= f x x ( ∂ x ∂ u ) 2 + 2 f xy ∂ x ∂ u ∂ y ∂ u + f y y ( ∂ y ∂ u ) 2 + f x ∂ 2 x ∂ u 2 + f y ∂ 2 y ∂ u 2

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学生スタッフ作成
最終更新日: 2023年1月21日