yによる関数ψの2階偏微分

y による関数 ψ の2階偏微分

関数 ψ 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

2 ψ y 2 = 2 ψ r 2 r y 2 + 2 ψ θ 2 θ y 2 + 2 ψ φ 2 φ y 2

+ 2 2 ψ r θ r y θ y + 2 2 ψ θ φ θ y φ y + 2 2 ψ φ r φ y r y

+ ψ r 2 r y 2 + ψ θ 2 θ y 2 + ψ φ 2 φ y 2 ・・・・・・(1)

が得られる.

x 2 + y 2 + z 2 = r 2 (このページの(4)式)の両辺を z で偏微分して

2 y = 2 r r y

y r = r y

r y = r sin θ sin φ r

r y = sin θ sin φ ・・・・・・(2)

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

1 x = 1 cos 2 φ φ y

tan 2 φ + 1 φ y = 1 x

y 2 x 2 + 1 φ y = 1 x

y 2 + x 2 x 2 φ y = 1 x

r 2 z 2 x 2 φ y = 1 x

φ y = x r 2 z 2 = r sin θ cos φ r 2 r 2 cos 2 θ = r sin θ cos φ r 2 1 cos 2 θ = r sin θ cos φ r 2 sin 2 θ = cos φ r sin θ ・・・・・・(3)

となる. x 2 + y 2 z = tan θ (このページの(2)式)の両辺を y で偏微分して

y x 2 + y 2 1 2 z = 1 cos 2 θ θ y

θ y = y cos 2 θ z x 2 + y 2

= r sin θ sin φ cos 2 θ r cos θ r 2 sin 2 θ cos 2 φ + r 2 sin 2 θ sin 2 φ

= r sin θ sin φ cos 2 θ r 2 cos θ sin θ cos 2 φ + sin 2 φ

= cos θ sin φ r ・・・・・・(4)

が得られる.

2 r y 2 = y r y

(2)を代入して

= y sin θ sin φ

= r sin θ sin φ r y + θ sin θ sin φ θ y + φ sin θ sin φ φ y

= cos θ sin φ θ y + sin θ cos φ φ y

= cos θ sin φ cos θ sin φ r + sin θ cos φ cos φ r sin θ

= cos 2 θ sin 2 φ r + cos 2 φ r

= cos 2 θ sin 2 φ + cos 2 φ r ・・・・・・(5)

2 θ y 2 = y θ y

(4)を代入して

= y cos θ cos φ r

= r cos θ sin φ r r y + θ cos θ sin φ r θ y + φ cos θ sin φ r φ y

= cos θ sin φ r 2 r y sin θ sin φ r θ y cos θ cos φ r φ y

(2)、(4)、(3)を代入して

= cos θ sin φ r 2 sin θ sin φ sin θ sin φ r cos θ sin φ r + cos θ cos φ r cos φ r sin θ

= sin θ cos θ sin 2 φ r 2 sin θ cos θ sin 2 φ r 2 + cos θ cos 2 φ r 2 sin θ

= 2sin θ cos θ sin 2 φ r 2 + cos θ cos 2 φ r 2 sin θ

= 2 sin 2 θ cos θ sin 2 φ + cos θ cos 2 φ r 2 sin θ

= cos θ 2 sin 2 θ sin 2 φ + cos 2 φ r 2 sin θ ・・・・・・(6)

が得られる.

2 φ y 2 = y φ y

(3)を代入して

= y cos φ r sin θ

= r cos φ r sin θ r y + θ cos φ r sin θ θ y + φ cos φ r sin θ φ y

= cos φ r 2 sin θ r y cos θ cos φ r sin 2 θ θ y sin φ r sin θ φ y

(2),(4),(3)を代入して

= cos φ r 2 sin θ sin θ sin φ cos θ cos φ r sin 2 θ cos θ sin φ r sin φ r sin θ cos φ r sin θ

= sin 2 θ sin φ cos φ + cos 2 θ sin φ cos φ + sin φ cos φ r 2 sin 2 θ

= sin φ cos φ sin 2 θ + cos 2 θ + sin φ cos φ r 2 sin 2 θ

= 2 sin φ cos φ r 2 sin 2 θ ・・・・・・(7)

が得られる.ここで,(2)〜(7)を(1)に代入し式を整理すると

2 ψ y 2 = sin θ sin φ 2 2 ψ r 2 + cos θ sin φ r 2 2 ψ θ 2 + cos φ r sin θ 2 2 ψ φ 2

+ 2 sin θ sin φ cos θ sin φ r 2 ψ r θ + 2 cos θ sin φ r cos φ r sin θ 2 ψ θ φ + 2 cos φ r sin θ sin θ sin φ 2 ψ φ r

+ cos 2 θ sin 2 φ + cos 2 φ r ψ r + cos θ 2 sin 2 θ sin 2 φ + cos 2 φ r 2 sin θ ψ θ 2 sin φ cos φ r 2 sin 2 θ ψ φ

= sin 2 θ sin 2 φ 2 ψ r 2 + cos 2 θ sin 2 φ r 2 2 ψ θ 2 + cos 2 φ r 2 sin 2 θ 2 ψ φ 2

+ 2 sin θ cos θ sin 2 φ r 2 ψ r θ + 2 cos θ sin φ cos φ r 2 sin θ 2 ψ θ φ + 2 sin φ cos φ r 2 ψ φ r

+ cos 2 θ sin 2 φ + cos 2 φ r ψ r + cos θ 2 sin 2 θ sin 2 φ + cos 2 φ r 2 sin θ ψ θ 2 sin φ cos φ r 2 sin 2 θ ψ φ

が得られる.

 

ホーム>>カテゴリー別分類>>微分>>偏微分>>極座標表示におけるラプラシアン(3次元)>> y による関数 ψ の2階偏微分

最終更新日:2026年4月2日