陰関数の2次導関数

■問題

次の関係で定義される陰関数 y=ϕ( x ) について d 2 y d x 2 を求めよ.

log x 2 + y 2 − tan −1 y x =0

■答

2( x 2 + y 2 ) ( x−y ) 3

■ヒント

まず, log  x 2 + y 2 − tan −1   y x =0 より定義した f x,y =f x,ϕ x =0 となる2変数関数 f x,y を x で微分する.その結果から dy dx を求める.

■解説

⇒別解

f( x,y )=f( x,ϕ( x ) ) =log x 2 + y 2 − tan −1 y x

とおく. f( x,y ) を x=x , y=ϕ x とする合成関数と考えて,これを x で微分すると

d dx f( x,y ) = f x dx dx + f y dy dx

合成関数の偏導関数の公式を用いた.

= f x + f y dy dx

=0

よって

f y dy dx =− f x

dy dx =− f x f y  ・・・・・・(1)

ここで

f x = ∂ ∂x f( x,y )

= ∂ ∂x ( log x 2 + y 2 − tan −1 y x )

= ∂ ∂x { log ( x 2 + y 2 ) 1 2 − tan −1 y x −1 }

= ∂ ∂x { 1 2 log( x 2 + y 2 )− tan −1 y x −1 }

偏導関数の定義より,   y   を定数とみなして   x   で微分する.

= 1 2 · 1 x 2 + y 2 ·2x− 1 1+ ( y x ) 2 ·( −y x −2 )

= x x 2 + y 2 − 1 1+ ( y x ) 2 ·( − y x 2 )

= x x 2 + y 2 + y x 2 1+ ( y x ) 2

= x x 2 + y 2 + y x 2 1+ y 2 x 2

= x x 2 + y 2 + y x 2 + y 2

= x+y x 2 + y 2  ・・・・・・(2)

f y = ∂ ∂y f( x,y )

= ∂ ∂x ( log x 2 + y 2 − tan −1 y x )

= ∂ ∂x { log ( x 2 + y 2 ) 1 2 − tan −1 1 x y }

= ∂ ∂x { 1 2 log( x 2 + y 2 )− tan −1 1 x y }

偏導関数の定義より,   x   を定数とみなして   y   で微分する.

= 1 2 · 1 x 2 + y 2 ·2y− 1 1+ ( y x ) 2 · 1 x

= y x 2 + y 2 − 1 x 1+ y 2 x 2

= y x 2 + y 2 − x x 2 + y 2

= y−x x 2 + y 2

=− x−y x 2 + y 2  ・・・・・・(3)

(1)に(2),(3)を代入すると

dy dx =− f x f y =− x+y x 2 + y 2 ( − x−y x 2 + y 2 ) = x+y x 2 + y 2 x−y x 2 + y 2 = x+y x−y  ・・・・・・(4)

となる.

g( x,y )=g( x,ϕ( x ) )= x+y x−y  ・・・・・・(5)

とおく.

d 2 y d x 2 = d dx ( dy dx )

= d dx { g( x,y ) }

合成関数の偏導関数の公式を用いる.

= g x + g y dy dx  ・・・・・・(6)

ここで

g x = ∂ ∂x g( x,y )

= ∂ ∂x ( x+y x−y )

= ∂ ∂x ( x+y )·( x−y )−( x+y )· ∂ ∂x ( x−y ) ( x−y ) 2

偏導関数の定義より,   y   を定数とみなして   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

= x−y−x−y ( x−y ) 2

=− 2y ( x−y ) 2  ・・・・・・(7)

g y = ∂ ∂ y g( x,y )

= ∂ ∂y ( x+y x−y )

= ∂ ∂y ( x+y )·( x−y )−( x+y )· ∂ ∂y ( x−y ) ( x−y ) 2

= 1·( x−y )−( x+y )·( −1 ) ( x−y ) 2

偏導関数の定義より,    x   を定数とみなして   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

= 2x ( x−y ) 2  ・・・・・・(8)

(6)に(7),(8),(4)を代入する.

d 2 y d x 2 = g x + g y dy dx

=− 2y ( x−y ) 2 + 2x ( x−y ) 2 ·( x+y x−y )

= −2y ( x−y ) 2 + 2x( x+y ) ( x−y ) 3

= −2y( x−y )+2x( x+y ) ( x−y ) 3

= −2xy+2 y 2 +2 x 2 +2xy ( x−y ) 3

= 2 x 2 +2 y 2 ( x−y ) 3

= 2( x 2 + y 2 ) ( x−y ) 3

■別解

log  x 2 + y 2 − tan −1   y x =0  ・・・・・・(9)

(9)の両辺を x で微分する.

1 x 2 + y 2 ⋅ d dx x 2 + y 2 − 1 1+ y x 2 d dx y x =0

1 x 2 + y 2 ⋅ 1 2 x 2 + y 2 2x+2y dy dx − x 2 x 2 + y 2 − y x 2 + 1 x dy dx =0  ・・・・・・(10)

(10)を dy dx について解く.

x x 2 + y 2 + y x 2 + y 2 dy dx + y x 2 + y 2 − x x 2 + y 2 dy dx =0

x+y x 2 + y 2 − x−y x 2 + y 2 dy dx =0

(9)より x 2 + y 2 ≠0 である.よって,両辺を x 2 + y 2 で割る.

x+y− x−y dy dx =0  ・・・・・・(11)

dy dx = x+y x−y  ・・・・・・(12)

(11)を x さらに x で微分する.

1+ dy dx − 1− dy dx dy dx − x−y d 2 y d x 2 =0  ・・・・・・(13)

(13)を d 2 y d x 2 について解く.

1+ dy dx 2 − x−y d 2 y d x 2 =0

d 2 y d x 2 = 1 x−y 1+ dy dx 2  ・・・・・・(14)

(14)に(12)を代入する.

d 2 y d x 2 = 1 x−y 1+ x+y x−y 2

d 2 y d x 2 = 1 x−y ⋅ x−y 2 + x+y 2 x−y 2

d 2 y d x 2 = 2 x 2 + y 2 x−y 3

 

ホーム>>カテゴリー分類>>微分>>偏微分>>問題演習>>陰関数の2次導関数

学生スタッフ作成

最終更新日: 2023年9月15日