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

もしくは,

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

■導出

∂ 2 z ∂ v 2 = ∂ ∂ v ( ∂ z ∂ v )

= ∂ ∂ v ( f x ∂ x ∂ v + f y ∂ y ∂ v )

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

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

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

={ ∂ ∂v ( ∂z ∂x )⋅ ∂x ∂v + ∂z ∂x ∂ 2 x ∂ v 2 } +{ ∂ ∂v ( ∂z ∂y )⋅ ∂y ∂v + ∂z ∂y ∂ 2 y ∂ v 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     v     で偏微分すると,合成関数の偏微分となるから,

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

= ∂ 2 z ∂ x 2 ∂ x ∂ v + ∂ 2 z ∂ y ∂ x ∂ y ∂ v

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

= ∂ 2 z ∂ x ∂ y ∂ x ∂ v + ∂ 2 z ∂ y 2 ∂ y ∂ v

これらを代入して,

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

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

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

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

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

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

 

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学生スタッフ作成
最終更新日: 2023年1月21日