yy
による関数
ψ
の2階偏微分
関数
ψ
を
y
で偏微分する.
∂ψ∂y
=∂ψ∂r∂r∂y+∂ψ∂θ∂θ∂y+∂ψ∂φ∂φ∂y
y
に関しても
x
と同様に計算して
∂2ψ∂y2
=∂2ψ∂r2(∂r∂y)2+
∂2ψ∂θ∂r∂θ∂y∂r∂y+∂ψ∂r∂2r∂y2+∂2ψ∂r∂θ∂r∂y∂θ∂y+∂2ψ∂θ2(∂θ∂y)2+∂ψ∂θ∂2θ∂y2
+∂2ψ∂r∂φ∂r∂y∂φ∂y+∂2ψ∂φ2(∂φ∂y)2+∂ψ∂φ∂2φ∂y2 ・・・・・・(1)
が得られる.(4)の両辺をy
で偏微分して
2y
=2r∂r∂y
yr
=∂r∂y
∂r∂y
=rsinθsinφr
∂r∂y
=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=1cos2φ∂φ∂y
(tan2φ+1)∂φ∂y
=1x
(y2x2+1)∂φ∂y
=1x
(y2+x2x2)∂φ∂y
=1x
(r2−z2x2)∂φ∂y
=1x
∂φ∂y
=xr2−z2
=rsinθcosφr2−r2cos2θ
=rsinθcosφr2(1−cos2θ)
=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
=1cos2θ∂θ∂y
∂θ∂y
=ycos2θz√x2+y2
=rsinθsinφcos2θrcosθ√r2sin2θcos2φ+r2sin2θsin2φ
=rsinθsinφcos2θr2cosθsinθ√cos2φ+sin2φ
=cosθsinφr
・・・・・・(4)
が得られる.
∂2r∂y2
=∂∂y(∂r∂y)
(13)を代入して
=∂∂y(sinθsinφ)
=∂∂r(sinθsinφ)∂r∂y+∂∂θ(sinθsinφ)∂θ∂y+∂∂φ(sinθsinφ)∂φ∂y
=cosθsinφ∂θ∂y+sinθcosφ∂φ∂y
=cosθsinφ(cosθsinφr)+sinθcosφ(cosφrsinθ)
=cos2θsin2φr+cos2φr
=cos2θsin2φ+cos2φr
・・・・・・(5)
∂2θ∂y2
=∂∂y(∂θ∂y)
(14)を代入して
=∂∂y(cosθcosφr)
=∂∂r(cosθsinφr)∂r∂y+∂∂θ(cosθsinφr)∂θ∂y+∂∂φ(cosθsinφr)∂φ∂y
=−cosθsinφr2∂r∂y−sinθsinφr∂θ∂y−cosθcosφr∂φ∂y
(13)、(15)、(14)を代入して
=−cosθsinφr2(sinθsinφ)−sinθsinφr(cosθsinφr)+cosθcosφr(cosφrsinθ)
=−sinθcosθsin2φr2−sinθcosθsin2φr2+cosθcos2φr2sinθ
=−2sinθcosθsin2φr2+cosθcos2φr2sinθ
=−2sin2θcosθsin2φ+cosθcos2φr2sinθ
=cosθ(−2sin2θsin2φ+cos2φ)r2sinθ ・・・・・・(6)
が得られる.
∂2φ∂y2=∂∂y(∂φ∂y)
(3)を代入して
=∂∂y(cosφrsinθ)
=∂∂r(cosφrsinθ)∂r∂y+∂∂θ(cosφrsinθ)∂θ∂y+∂∂φ(cosφrsinθ)∂φ∂y
=−cosφr2sinθ∂r∂y−cosθcosφrsin2θ∂θ∂y−sinφrsinθ∂φ∂y
(2),(4),(3)を代入して
=−cosφr2sinθsinθsinφ−cosθcosφrsin2θcosθsinφr−sinφrsinθcosφrsinθ
=−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
∂2ψ∂y2
=∂2ψ∂r2(sinθsinφ)2+∂2ψ∂θ∂rcosθsinφrsinθsinφ+∂ψ∂rcos2θsin2φ+cos2φr
+∂2ψ∂r∂θsinθsinφcosθsinφr+∂2ψ∂θ2(cosθsinφr)2+∂ψ∂θcosθ(−2sin2θsin2φ+cos2φ)r2sinθ
+∂2ψ∂r∂φsinθsinφcosφrsinθ+∂2ψ∂φ2(cosφrsinθ)2+∂ψ∂φ(−2sinφcosφr2sin2θ)
=∂2ψ∂r2sin2θsin2φ+∂2ψ∂θ∂rsinθcosθsin2φr+∂ψ∂rcos2θsin2φ+cos2φr
+∂2ψ∂r∂θsinθcosθsin2φr+∂2ψ∂θ2cos2θsin2φr2+∂ψ∂θcosθ(−2sin2θsin2φ+cos2φ)r2sinθ
+∂2ψ∂r∂φsinφcosφr+∂2ψ∂φ2cos2φr2sin2θ−∂ψ∂φ2sinφcosφr2sin2θ
が得られる.
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の2階偏微分
最終更新日:2023年1月16日