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
∂ 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