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yy による関数 ψ の2階偏微分

関数 ψy で偏微分する.

ψy =ψrry+ψθθy+ψφφy

y に関しても x と同様に計算して

2ψy2 =2ψr2(ry)2+ 2ψθrθyry+ψr2ry2+2ψrθryθy+2ψθ2(θy)2+ψθ2θy2

+2ψrφryφy+2ψφ2(φy)2+ψφ2φy2 ・・・・・・(1)

が得られる.(4)の両辺をy で偏微分して

2y =2rry

yr =ry

ry =rsinθsinφr

ry =sinθsinφ   ・・・・・・(2)

が得られる.yx=tanφ(このページの(3)式)の両辺を y で偏微分して

1x=1cos2φφy

(tan2φ+1)φy =1x

(y2x2+1)φy =1x

(y2+x2x2)φy =1x

(r2z2x2)φy =1x

φy =xr2z2 =rsinθcosφr2r2cos2θ =rsinθcosφr2(1cos2θ) =rsinθcosφr2sin2θ =cosφrsinθ  ・・・・・・(3)

となる.x2+y2z=tanθ(このページの(2)式)の両辺をy で偏微分して

y(x2+y2)12z =1cos2θθy

θy =ycos2θzx2+y2

=rsinθsinφcos2θrcosθr2sin2θcos2φ+r2sin2θsin2φ

=rsinθsinφcos2θr2cosθsinθcos2φ+sin2φ

=cosθsinφr   ・・・・・・(4)

が得られる.

2ry2 =y(ry)

(13)を代入して

=y(sinθsinφ)

=r(sinθsinφ)ry+θ(sinθsinφ)θy+φ(sinθsinφ)φy

=cosθsinφθy+sinθcosφφy

=cosθsinφ(cosθsinφr)+sinθcosφ(cosφrsinθ)

=cos2θsin2φr+cos2φr

=cos2θsin2φ+cos2φr   ・・・・・・(5)

2θy2 =y(θy)

(14)を代入して

=y(cosθcosφr)

=r(cosθsinφr)ry+θ(cosθsinφr)θy+φ(cosθsinφr)φy

=cosθsinφr2rysinθsinφrθycosθcosφrφy

(13)、(15)、(14)を代入して

=cosθsinφr2(sinθsinφ)sinθsinφr(cosθsinφr)+cosθcosφr(cosφrsinθ)

=sinθcosθsin2φr2sinθcosθsin2φr2+cosθcos2φr2sinθ

=2sinθcosθsin2φr2+cosθcos2φr2sinθ

=2sin2θcosθsin2φ+cosθcos2φr2sinθ

=cosθ(2sin2θsin2φ+cos2φ)r2sinθ ・・・・・・(6)

が得られる.

2φy2=y(φy)

(3)を代入して

=y(cosφrsinθ)

=r(cosφrsinθ)ry+θ(cosφrsinθ)θy+φ(cosφrsinθ)φy

=cosφr2sinθrycosθcosφrsin2θθysinφrsinθφy

(2),(4),(3)を代入して

=cosφr2sinθsinθsinφcosθcosφrsin2θcosθsinφrsinφrsinθcosφrsinθ

=sin2θsinφcosφ+cos2θsinφcosφ+sinφcosφr2sin2θ

=sinφcosφ(sin2θ+cos2θ)+sinφcosφr2sin2θ

=2sinφcosφr2sin2θ ・・・・・・(7)

が得られる.ここで,(2)~(7)を用いて(12)を式変形すると

2ψy2 =2ψr2(sinθsinφ)2+2ψθrcosθsinφrsinθsinφ+ψrcos2θsin2φ+cos2φr

+2ψrθsinθsinφcosθsinφr+2ψθ2(cosθsinφr)2+ψθcosθ(2sin2θsin2φ+cos2φ)r2sinθ

+2ψrφsinθsinφcosφrsinθ+2ψφ2(cosφrsinθ)2+ψφ(2sinφcosφr2sin2θ)

=2ψr2sin2θsin2φ+2ψθrsinθcosθsin2φr+ψrcos2θsin2φ+cos2φr

+2ψrθsinθcosθsin2φr+2ψθ2cos2θsin2φr2+ψθcosθ(2sin2θsin2φ+cos2φ)r2sinθ

+2ψrφsinφcosφr+2ψφ2cos2φr2sin2θψφ2sinφcosφr2sin2θ

が得られる.

 

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最終更新日:2023年1月16日

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