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偏微分の順序交換

z = f ( x , y )  について, 2 z y x 2 z x y が共に連続ならば

2 z y x = 2 z x y  

表現をかえると

f x y ( x , y ) = f y x ( x , y )  

が成り立つ.

■証明

偏導関数の定義より

f x ( x , y ) = f x = lim h 0 f ( x + h , y ) f ( x , y ) h  

f y ( x , y ) = f y = lim k 0 f ( x , y + k ) f ( x , y ) k  

また

f x y = f x y = lim k 0 f x ( x , y + k ) f x ( x , y ) k  

= lim k 0 lim h 0 f ( x + h , y + k ) f ( x , y + k ) h lim h 0 f ( x + h , y ) f ( x , y ) h k  

= lim k 0 [ 1 k { lim h 0 f ( x + h , y + k ) f ( x , y + k ) f ( x + h , y ) + f ( x , y ) h } ]  

= lim k 0 [ lim h 0 1 h k { f ( x + h , y + k ) f ( x , y + k ) f ( x + h , y ) + f ( x , y ) } ]  ・・・・・・(1)

同様にして

f y x = f y x = lim h 0 f y ( x + h , y ) f y ( x , y ) h  

= lim h 0 lim k 0 f ( x + h , y + k ) f ( x + h , y ) k lim k 0 f ( x , y + k ) f ( x , y ) k h  

= lim h 0 [ 1 h { lim k 0 f ( x + h , y + k ) f ( x + h , y ) k lim k 0 f ( x , y + k ) f ( x , y ) k } ]  

= lim h 0 [ lim k 0 1 h k { f ( x + h , y + k ) f ( x , y + k ) f ( x + h , y ) + f ( x , y ) } ]  ・・・・・・(2)

ここで

Δ = f ( x + h , y + k ) f ( x , y + k ) f ( x + h , y ) + f ( x , y )  ・・・・・・(3)

とおき,

g 1 ( x ) = f ( x , y + k ) f ( x , y )  

とおくと,(3)は

Δ = g 1 ( x + h ) g 1 ( x )  

平均値の定理より

Δ = g 1 ( x + θ 1 h ) h     ( 0 < θ 1 < 1 )

ここで g 1 ( x )

g 1 ( x ) = d d x g 1 ( x )  

= { d d x g 1 ( x + θ 1 h ) } h  

= x { f ( x , y + k ) f ( x , y ) }  

          = f x ( x , y + k ) f x ( x , y )  

よって

Δ = { f x ( x + θ 1 h , y + k ) f x ( x + θ 1 h , y ) } h  ・・・・・・(4)

g 2 ( y ) = f x ( x + θ 1 h , y )  とおくと(4)は,

Δ = { g 2 ( y + k ) g 2 ( y ) } h  

平均値の定理より

g 2 ( y + k ) g 2 ( y ) = g 2 ( y + θ 2 k ) k  

となるので

Δ = { g 2 ( y + θ 2 k ) k } h     ( 0 < θ 2 < 1 )

= { g 2 ( y + θ 2 k ) } h k  

ここで g 2 ( y )

g 2 ( y ) = d d y g 2 ( y )  

= y f x ( x + θ 1 h , y )  

= f x y ( x + θ 1 h , y )  

よって

Δ = f x y ( x + θ 1 h , y + θ 2 k ) h k  ・・・・・・(5)

次に, h 1 ( y ) = f ( x + h , y ) f ( x , y )  とおくと(3)は

Δ = h 1 ( y + k ) h 1 ( y )  

平均値の定理より

Δ = h 1 ( y + ϕ 1 k ) k     ( 0 < ϕ 1 < 1 )

ここで h 1 ( y )

h 1 ( y ) = d d y h 1 ( y )  

= y { f ( x + h , y ) f ( x , y ) }  

= f y ( x + h , y ) f y ( x , y )  

よって

Δ = { f y ( x + h , y + ϕ 1 k ) f y ( x , y + ϕ 1 k ) } k  ・・・・・・(6)

h 2 ( x ) = f y ( x , y + ϕ 1 k )  とおくと(6)は

Δ = { h 2 ( x + h ) h 2 ( x ) } k  

平均値の定理より

h 2 ( x + h ) h 2 ( x ) = h 2 ( x + ϕ 2 h ) h  

となるので

Δ = { h 2 ( x + ϕ 2 h ) h } k     ( 0 < ϕ 2 < 1 )

    = { h 2 ( x + ϕ 2 h ) } h k  

ここで h 2 ( x )

h 2 ( x ) = d d x h 2 ( x )  

= x f y ( x , y + ϕ 1 k )  

= f y x ( x , y + ϕ 1 k )  

よって

Δ = f y x ( x + ϕ 2 h , y + ϕ 1 k ) h k  ・・・・・・(7)

(1),(5)より

lim h 0 k 0 Δ h k = lim h 0 k 0 f x y ( x + θ 1 h , y + θ 2 k ) = f x y ( x , y )  ・・・・・・(8)

(2),(7)より

lim h 0 k 0 Δ h k = lim h 0 k 0 f y x ( x + ϕ 2 h , y + ϕ 1 k ) = f y x ( x , y )  ・・・・・・(9)

(8),(9)より 

f x y ( x , y ) = f y x ( x , y )  

 

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最終更新日: 2025年4月22日

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