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問題を解くのに必要な知識を確認するにはこのグラフ図を利用してください.

合成関数の2次偏導関数

■問題

z=f(x,y),x=ucosθvsinθ, y=usinθ+vcosθ のとき

2zx2+2zy2=2zu2+2zv2

となることを示せ.

■ヒント

右辺を変形して左辺を導く. xyuv でそれぞれ2回偏微分する. 求めた式を 合成関数の2次偏導関数の公式に 代入する.

■解説

xu偏微分すると

xu=cosθ

これを更にu偏微分すると

2xu2=u(xu)=u(cosθ)=0 

同様の手順で yu偏微分をすると

yu=sinθ

更に, yu偏微分する. 

2yu2=u(yu)=u(sinθ)=0

よって,2zu2合成関数の2次偏導関数の公式より

2zu2=fxx(xu)2+2fxyxuyu+fyy(yu)2+fx2xu2+fy2yu2

=fxx(cosθ)2+2fxycosθsinθ+fyy(sinθ)2+fx·0+fy·0

=fxxcos2θ+2fxysinθcosθ+fyysin2θ ・・・・・・(1)

更に, v についても同様に偏微分すると

xv=sinθ

2xv2=v(xv)=v(sinθ)=0

yv=cosθ

2yu2=u(yu)=v(cosθ)=0

よって,2zv2合成関数の2次偏導関数の公式より

2zv2=fxx(xv)2+2fxyxvyv+fyy(yv)2+fx2xv2+fy2yv2

=fxx(sinθ)2+2fxy(sinθ)cosθ+fyy(cosθ)2+fx·0+fy·0

=fxxsin2θ2fxysinθcosθ+fyycos2θ ・・・・・・(2)

(1),(2)より

2zu2+2zv2

=(fxxcos2θ+2fxysinθcosθ+fyysin2θ)+(fxxsin2θ2fxysinθcosθ+fyycos2θ)

=fxxcos2θ+2fxysinθcosθ+fyysin2θ+fxxsin2θ2fxysinθcosθ+fyycos2θ

=(cos2θ+sin2θ)fxx+(sin2θ+cos2θ)fyy

=fxx+fyy

=2zx2+2zy2

となる.したがって

2zx2+2zy2=2zu2+2zv2

 

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学生スタッフ作成

最終更新日: 2023年9月1日

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