zによる関数ψの2階偏微分

z による関数 ψ の2階偏微分

関数 ψ z 偏微分する.

ψ z = ψ r r z + ψ θ θ z

z に関しても x と同様に計算して

2 ψ z 2 = z ψ r r z + ψ θ θ z

= z ψ r r z + ψ r z r z + z ψ θ θ z + ψ θ z θ z

= r ψ r r z + θ ψ r θ z r z + ψ r 2 r z 2 + r ψ θ r z + θ ψ θ θ z θ z + ψ θ 2 θ z 2

= 2 ψ r 2 r z 2 + 2 ψ θr θ z r z + ψ r 2 r z 2 + 2 ψ rθ r z θ z + 2 ψ 2 θ θ z 2 + ψ θ 2 θ z 2

= 2 ψ r 2 r z 2 + 2 ψ 2 θ θ z 2 +2 2 ψ rθ r z θ z + ψ r 2 r z 2 + ψ θ 2 θ z 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 z = 2 r r z

z r = r z

r z = r cos θ r

r z = cos θ   ・・・・・・(2)

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

x 2 + y 2 1 2 z 2 = 1 cos 2 θ θ z

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

が得られる

2 r z 2 = z r z

(2)を代入して

= z cos θ

= r cos θ r z + θ cos θ θ z + φ cos θ φ z

= sin θ θ z

(3)を代入して

= sin θ sin θ r

= sin 2 θ r   ・・・・・・(4)

が得られる.

2 θ z 2 = z θ z

(3)を代入して

= z sin θ r

= r sin θ r r z + θ sin θ r θ z

= sin θ r 2 r z cos θ r θ z

(2),(3)を代入して

= sin θ r 2 cos θ cos θ r sin θ r

= sin θ cos θ r 2 + sin θ cos θ r 2

= 2sin θ cos θ r 2   ・・・・・・(5)

が得られる.

ここで,(2)〜(5)を用いて(1)を式変形すると

2 ψ z 2 = 2 ψ r 2 cosθ 2 + 2 ψ 2 θ sinθ r 2 +2 2 ψ rθ cosθ sinθ r

+ ψ r sin 2 θ r + ψ θ 2sinθcosθ r 2

= cos 2 θ 2 ψ r 2 + sin 2 θ r 2 2 ψ 2 θ 2cosθsinθ r 2 ψ rθ + sin 2 θ r ψ r + 2sinθcosθ r 2 ψ θ

が得られる.

 

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最終更新日:2026年4月2日