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次の関係で定義される陰関数 y=ϕ(x)y=ϕ(x) について d2ydx2d2ydx2 を求めよ.
log√x2+y2−tan−1yx=0log√x2+y2−tan−1yx=0
2(x2+y2)(x−y)32(x2+y2)(x−y)3
まず,log √x2+y2−tan−1 yx=0log√x2+y2−tan−1yx=0 より定義したf(x,y)=f(x,ϕ(x))=0f(x,y)=f(x,ϕ(x))=0 となる2変数関数 f(x,y)f(x,y)をxx で微分する.その結果からdydxdydx を求める.
f(x,y)=f(x,ϕ(x))f(x,y)=f(x,ϕ(x))=log√x2+y2−tan−1yx=log√x2+y2−tan−1yx
とおく.f(x,y)f(x,y) をx=xx=x ,y=ϕ(x)y=ϕ(x) とする合成関数と考えて,これをxx で微分すると
ddxf(x,y)ddxf(x,y)=fxdxdx+fydydx=fxdxdx+fydydx
合成関数の偏導関数の公式を用いた.
=fx+fydydx=fx+fydydx
=0=0
よって
fydydxfydydx=−fx=−fx
dydxdydx=−fxfy=−fxfy ・・・・・・(1)
ここで
fxfx=∂∂xf(x,y)=∂∂xf(x,y)
=∂∂x(log√x2+y2−tan−1yx)=∂∂x(log√x2+y2−tan−1yx)
=∂∂x{log(x2+y2)12−tan−1yx−1}=∂∂x{log(x2+y2)12−tan−1yx−1}
=∂∂x{12log(x2+y2)−tan−1yx−1}=∂∂x{12log(x2+y2)−tan−1yx−1}
偏導関数の定義より, y y を定数とみなして x x で微分する.
=xx2+y2−11+(yx)2·(−yx2)=xx2+y2−11+(yx)2⋅(−yx2)
=xx2+y2+yx21+(yx)2=xx2+y2+yx21+(yx)2
=xx2+y2+yx21+y2x2=xx2+y2+yx21+y2x2
=xx2+y2+yx2+y2=xx2+y2+yx2+y2
=x+yx2+y2=x+yx2+y2 ・・・・・・(2)
fyfy=∂∂yf(x,y)=∂∂yf(x,y)
=∂∂x(log√x2+y2−tan−1yx)=∂∂x(log√x2+y2−tan−1yx)
=∂∂x{log(x2+y2)12−tan−11xy}=∂∂x{log(x2+y2)12−tan−11xy}
=∂∂x{12log(x2+y2)−tan−11xy}=∂∂x{12log(x2+y2)−tan−11xy}
偏導関数の定義より, x x を定数とみなして y yで微分する.
=12·1x2+y2·2y−11+(yx)2·1x=12⋅1x2+y2⋅2y−11+(yx)2⋅1x
=yx2+y2−1x1+y2x2=yx2+y2−1x1+y2x2
=yx2+y2−xx2+y2=yx2+y2−xx2+y2
=y−xx2+y2=y−xx2+y2
=−x−yx2+y2=−x−yx2+y2 ・・・・・・(3)
(1)に(2),(3)を代入すると
dydxdydx=−fxfy=−fxfy=−x+yx2+y2(−x−yx2+y2)=−x+yx2+y2(−x−yx2+y2)=x+yx2+y2x−yx2+y2=x+yx2+y2x−yx2+y2=x+yx−y=x+yx−y ・・・・・・(4)
となる.
g(x,y)=g(x,ϕ(x))=x+yx−yg(x,y)=g(x,ϕ(x))=x+yx−y ・・・・・・(5)
とおく.
d2ydx2d2ydx2=ddx(dydx)=ddx(dydx)
=ddx{g(x,y)}=ddx{g(x,y)}
合成関数の偏導関数の公式を用いる.
=gx+gydydx=gx+gydydx ・・・・・・(6)
ここで
gxgx=∂∂xg(x,y)=∂∂xg(x,y)
=∂∂x(x+yx−y)=∂∂x(x+yx−y)
偏導関数の定義より,
y y
を定数とみなして
x x
で微分する.
分数関数の微分の公式を用いる.
=1·(x−y)−(x+y)·1(x−y)2=1⋅(x−y)−(x+y)⋅1(x−y)2
=x−y−x−y(x−y)2=x−y−x−y(x−y)2
=−2y(x−y)2=−2y(x−y)2 ・・・・・・(7)
gygy=∂∂yg(x,y)=∂∂yg(x,y)
=∂∂y(x+yx−y)=∂∂y(x+yx−y)
=1·(x−y)−(x+y)·(−1)(x−y)2=1⋅(x−y)−(x+y)⋅(−1)(x−y)2
偏導関数の定義より,
x x
を定数とみなして
y y
で微分する.
分数関数の微分の公式を用いる.
=x−y+x+y(x−y)2=x−y+x+y(x−y)2
=2x(x−y)2=2x(x−y)2 ・・・・・・(8)
(6)に(7),(8),(4)を代入する.
d2ydx2d2ydx2=gx+gydydx=gx+gydydx
=−2y(x−y)2+2x(x−y)2·(x+yx−y)=−2y(x−y)2+2x(x−y)2⋅(x+yx−y)
=−2y(x−y)2+2x(x+y)(x−y)3=−2y(x−y)2+2x(x+y)(x−y)3
=−2y(x−y)+2x(x+y)(x−y)3=−2y(x−y)+2x(x+y)(x−y)3
=−2xy+2y2+2x2+2xy(x−y)3=−2xy+2y2+2x2+2xy(x−y)3
=2x2+2y2(x−y)3=2x2+2y2(x−y)3
=2(x2+y2)(x−y)3=2(x2+y2)(x−y)3
log √x2+y2−tan−1 yx=0log√x2+y2−tan−1yx=0 ・・・・・・(9)
(9)の両辺をxxで微分する.
1√x2+y2⋅ddx√x2+y21√x2+y2⋅ddx√x2+y2−11+(yx)2ddx(yx)=0−11+(yx)2ddx(yx)=0
1√x2+y2⋅12√x2+y2(2x+2ydydx)1√x2+y2⋅12√x2+y2(2x+2ydydx)−x2x2+y2(−yx2+1xdydx)=0−x2x2+y2(−yx2+1xdydx)=0 ・・・・・・(10)
(10)をdydxdydx について解く.
xx2+y2+yx2+y2dydx+yx2+y2xx2+y2+yx2+y2dydx+yx2+y2−xx2+y2dydx=0−xx2+y2dydx=0
x+yx2+y2−x−yx2+y2dydx=0x+yx2+y2−x−yx2+y2dydx=0
(9)よりx2+y2≠0x2+y2≠0である.よって,両辺をx2+y2x2+y2 で割る.
x+y−(x−y)dydx=0x+y−(x−y)dydx=0 ・・・・・・(11)
dydx=x+yx−ydydx=x+yx−y ・・・・・・(12)
(11)をxx さらにxx で微分する.
1+dydx−(1−dydx)dydx1+dydx−(1−dydx)dydx−(x−y)d2ydx2=0−(x−y)d2ydx2=0 ・・・・・・(13)
(13)をd2ydx2d2ydx2 について解く.
1+(dydx)2−(x−y)d2ydx2=01+(dydx)2−(x−y)d2ydx2=0
d2ydx2=1x−y{1+(dydx)2}d2ydx2=1x−y{1+(dydx)2} ・・・・・・(14)
(14)に(12)を代入する.
d2ydx2=1x−y{1+(x+yx−y)2}d2ydx2=1x−y{1+(x+yx−y)2}
d2ydx2=1x−y⋅(x−y)2+(x+y)2(x−y)2d2ydx2=1x−y⋅(x−y)2+(x+y)2(x−y)2
d2ydx2=2(x2+y2)(x−y)3d2ydx2=2(x2+y2)(x−y)3
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最終更新日: 2023年9月15日