z=f( x,y ) で x=φ( u,v ),y=ψ( u,v ) ならば
∂ 2 z ∂u∂v = ∂ 2 z ∂v∂u = f xx ∂x ∂u ∂x ∂v + f xy ( ∂x ∂u ∂y ∂v + ∂x ∂v ∂y ∂u ) + f yy ∂y ∂u ∂y ∂v + f x ∂ 2 x ∂u∂v + f y ∂ 2 y ∂u∂v
もしくは,
∂ 2 z ∂u∂v = ∂ 2 z ∂v∂u = ∂ 2 z ∂ x 2 ∂x ∂u ∂x ∂v + ∂ 2 z ∂x∂y ( ∂x ∂u ∂y ∂v + ∂x ∂v ∂y ∂u ) + ∂ 2 z ∂ 2 y ∂y ∂u ∂y ∂v + ∂z ∂x ∂ 2 x ∂u∂v + ∂z ∂y ∂ 2 y ∂u∂v
∂ 2 z ∂u∂v = ∂ ∂u ( ∂z ∂v )
= ∂ ∂u ( f x ∂x ∂v + f y ∂y ∂v )
= ∂ ∂u ( ∂z ∂x ∂x ∂v + ∂z ∂y ∂y ∂v )
= ∂ ∂u ( ∂z ∂x ∂x ∂v )+ ∂ ∂u ( ∂z ∂y ∂y ∂v )
= ∂ ∂u ( ∂z ∂x )⋅ ∂x ∂v + ∂z ∂x ⋅ ∂ ∂u ( ∂x ∂v ) + ∂ ∂u ( ∂z ∂y )⋅ ∂y ∂v + ∂z ∂y ⋅ ∂ ∂u ( ∂y ∂v )
= ∂ ∂u ( ∂z ∂x )⋅ ∂x ∂v + ∂z ∂x ⋅ ∂ 2 x ∂u∂v + ∂ ∂u ( ∂z ∂y )⋅ ∂y ∂v + ∂z ∂y ⋅ ∂ 2 y ∂u∂v
z が合成関数であるので, ∂ z ∂ x , ∂ z ∂ y も共に合成関数となる.これらを u で偏微分すると,合成関数の偏微分より,
∂ ∂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∂v ={ ( ∂ 2 z ∂ x 2 ∂x ∂u + ∂ 2 z ∂y∂x ∂y ∂u ) ∂x ∂u + ∂z ∂x ∂ 2 x ∂u∂v }+{ ( ∂ 2 z ∂x∂y ∂x ∂u + ∂ 2 z ∂ y 2 ∂y ∂u ) ∂y ∂u + ∂z ∂y ∂ 2 y ∂u∂v }
={ ∂ 2 z ∂ x 2 ∂x ∂u ⋅ ∂x ∂v + ∂ 2 z ∂y∂x ∂y ∂u ⋅ ∂x ∂v + ∂z ∂x ⋅ ∂ 2 x ∂u∂v } +{ ∂ 2 z ∂x∂y ∂x ∂u ⋅ ∂y ∂v + ∂ 2 z ∂ y 2 ∂y ∂u ⋅ ∂y ∂v + ∂z ∂y ⋅ ∂ 2 y ∂u∂v }
= f xx ∂x ∂u ∂x ∂v + f xy ∂y ∂u ∂x ∂v + f x ∂ 2 x ∂u∂v + f yx ∂x ∂u ∂y ∂v + f yy ∂y ∂u ∂y ∂v + f y ∂ 2 y ∂u∂v
偏微分の順序交換が成り立つ,すなわち f xy = f yx より
= f xx ∂x ∂u ∂x ∂v + f xy ( ∂x ∂u ∂y ∂v + ∂x ∂v ∂y ∂u ) + f yy ∂y ∂u ∂y ∂v + f x ∂ 2 x ∂u∂v + f y ∂ 2 y ∂u∂v
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学生スタッフ作成 最終更新日: 2023年1月21日