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 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

∂ 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.

 

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最終更新日:2026年4月2日