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 を z で偏微分する.

∂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 ∂θ∂r ∂θ ∂z ∂r ∂z + ∂ψ ∂r ∂ 2 r ∂ z 2 + ∂ 2 ψ ∂r∂θ ∂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 ∂r∂θ ∂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 ∂r∂θ 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 ∂r∂θ + 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