与えられた関数 $f(x,y)$ について、2階の偏導関数 $f_{xx}$, $f_{yy}$, $f_{xy}$, $f_{yx}$ をすべて求める。

解析学偏微分2階偏導関数多変数関数
2025/6/27

1. 問題の内容

与えられた関数 f(x,y)f(x,y) について、2階の偏導関数 fxxf_{xx}, fyyf_{yy}, fxyf_{xy}, fyxf_{yx} をすべて求める。

2. 解き方の手順

それぞれの関数について、以下の手順で解く。
a) f(x,y)=x2y3f(x,y) = x^2 y^3
- fx=fx=2xy3f_x = \frac{\partial f}{\partial x} = 2xy^3
- fy=fy=3x2y2f_y = \frac{\partial f}{\partial y} = 3x^2y^2
- fxx=2fx2=x(2xy3)=2y3f_{xx} = \frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x} (2xy^3) = 2y^3
- fyy=2fy2=y(3x2y2)=6x2yf_{yy} = \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y} (3x^2y^2) = 6x^2y
- fxy=2fxy=x(3x2y2)=6xy2f_{xy} = \frac{\partial^2 f}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial x} (3x^2y^2) = 6xy^2
- fyx=2fyx=y(2xy3)=6xy2f_{yx} = \frac{\partial^2 f}{\partial y \partial x} = \frac{\partial}{\partial y} (2xy^3) = 6xy^2
b) f(x,y)=x2+y2=(x2+y2)12f(x,y) = \sqrt{x^2 + y^2} = (x^2 + y^2)^{\frac{1}{2}}
- fx=fx=12(x2+y2)12(2x)=xx2+y2f_x = \frac{\partial f}{\partial x} = \frac{1}{2}(x^2 + y^2)^{-\frac{1}{2}}(2x) = \frac{x}{\sqrt{x^2 + y^2}}
- fy=fy=12(x2+y2)12(2y)=yx2+y2f_y = \frac{\partial f}{\partial y} = \frac{1}{2}(x^2 + y^2)^{-\frac{1}{2}}(2y) = \frac{y}{\sqrt{x^2 + y^2}}
- fxx=2fx2=x(xx2+y2)=x2+y2xxx2+y2x2+y2=x2+y2x2(x2+y2)32=y2(x2+y2)32f_{xx} = \frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x} (\frac{x}{\sqrt{x^2 + y^2}}) = \frac{\sqrt{x^2 + y^2} - x \frac{x}{\sqrt{x^2 + y^2}}}{x^2 + y^2} = \frac{x^2 + y^2 - x^2}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}} = \frac{y^2}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}}
- fyy=2fy2=y(yx2+y2)=x2+y2yyx2+y2x2+y2=x2+y2y2(x2+y2)32=x2(x2+y2)32f_{yy} = \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y} (\frac{y}{\sqrt{x^2 + y^2}}) = \frac{\sqrt{x^2 + y^2} - y \frac{y}{\sqrt{x^2 + y^2}}}{x^2 + y^2} = \frac{x^2 + y^2 - y^2}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}} = \frac{x^2}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}}
- fxy=2fxy=x(yx2+y2)=y(12)(x2+y2)32(2x)=xy(x2+y2)32f_{xy} = \frac{\partial^2 f}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial x} (\frac{y}{\sqrt{x^2 + y^2}}) = y(-\frac{1}{2})(x^2 + y^2)^{-\frac{3}{2}}(2x) = \frac{-xy}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}}
- fyx=2fyx=y(xx2+y2)=x(12)(x2+y2)32(2y)=xy(x2+y2)32f_{yx} = \frac{\partial^2 f}{\partial y \partial x} = \frac{\partial}{\partial y} (\frac{x}{\sqrt{x^2 + y^2}}) = x(-\frac{1}{2})(x^2 + y^2)^{-\frac{3}{2}}(2y) = \frac{-xy}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}}
c) f(x,y)=2xln(x2+y2)f(x,y) = 2x \ln(x^2 + y^2)
- fx=2ln(x2+y2)+2x2xx2+y2=2ln(x2+y2)+4x2x2+y2f_x = 2 \ln(x^2 + y^2) + 2x \frac{2x}{x^2 + y^2} = 2 \ln(x^2 + y^2) + \frac{4x^2}{x^2 + y^2}
- fy=2x2yx2+y2=4xyx2+y2f_y = 2x \frac{2y}{x^2 + y^2} = \frac{4xy}{x^2 + y^2}
- fxx=2(2x)x2+y2+8x(x2+y2)4x2(2x)(x2+y2)2=4xx2+y2+8x3+8xy28x3(x2+y2)2=4xx2+y2+8xy2(x2+y2)2=4x(x2+y2)+8xy2(x2+y2)2=4x3+12xy2(x2+y2)2f_{xx} = \frac{2(2x)}{x^2 + y^2} + \frac{8x(x^2 + y^2) - 4x^2(2x)}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{4x}{x^2 + y^2} + \frac{8x^3 + 8xy^2 - 8x^3}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{4x}{x^2 + y^2} + \frac{8xy^2}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{4x(x^2 + y^2) + 8xy^2}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{4x^3 + 12xy^2}{(x^2 + y^2)^2}
- fyy=4x(x2+y2)4xy(2y)(x2+y2)2=4x3+4xy28xy2(x2+y2)2=4x34xy2(x2+y2)2f_{yy} = \frac{4x(x^2 + y^2) - 4xy(2y)}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{4x^3 + 4xy^2 - 8xy^2}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{4x^3 - 4xy^2}{(x^2 + y^2)^2}
- fxy=4y(x2+y2)4xy(2x)(x2+y2)2=4x2y+4y38x2y(x2+y2)2=4y34x2y(x2+y2)2f_{xy} = \frac{4y(x^2 + y^2) - 4xy(2x)}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{4x^2y + 4y^3 - 8x^2y}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{4y^3 - 4x^2y}{(x^2 + y^2)^2}
- fyx=4y(x2+y2)4xy(2x)(x2+y2)2=4x2y+4y38x2y(x2+y2)2=4y34x2y(x2+y2)2f_{yx} = \frac{4y(x^2 + y^2) - 4xy(2x)}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{4x^2y + 4y^3 - 8x^2y}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{4y^3 - 4x^2y}{(x^2 + y^2)^2}
d) f(x,y)=ex2+y2f(x,y) = e^{x^2 + y^2}
- fx=2xex2+y2f_x = 2xe^{x^2 + y^2}
- fy=2yex2+y2f_y = 2ye^{x^2 + y^2}
- fxx=2ex2+y2+2x(2xex2+y2)=2ex2+y2+4x2ex2+y2=(2+4x2)ex2+y2f_{xx} = 2e^{x^2 + y^2} + 2x(2xe^{x^2 + y^2}) = 2e^{x^2 + y^2} + 4x^2e^{x^2 + y^2} = (2 + 4x^2)e^{x^2 + y^2}
- fyy=2ex2+y2+2y(2yex2+y2)=2ex2+y2+4y2ex2+y2=(2+4y2)ex2+y2f_{yy} = 2e^{x^2 + y^2} + 2y(2ye^{x^2 + y^2}) = 2e^{x^2 + y^2} + 4y^2e^{x^2 + y^2} = (2 + 4y^2)e^{x^2 + y^2}
- fxy=2x(2yex2+y2)=4xyex2+y2f_{xy} = 2x(2ye^{x^2 + y^2}) = 4xye^{x^2 + y^2}
- fyx=2y(2xex2+y2)=4xyex2+y2f_{yx} = 2y(2xe^{x^2 + y^2}) = 4xye^{x^2 + y^2}

3. 最終的な答え

a) f(x,y)=x2y3f(x,y) = x^2 y^3
- fxx=2y3f_{xx} = 2y^3
- fyy=6x2yf_{yy} = 6x^2y
- fxy=6xy2f_{xy} = 6xy^2
- fyx=6xy2f_{yx} = 6xy^2
b) f(x,y)=x2+y2f(x,y) = \sqrt{x^2 + y^2}
- fxx=y2(x2+y2)32f_{xx} = \frac{y^2}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}}
- fyy=x2(x2+y2)32f_{yy} = \frac{x^2}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}}
- fxy=xy(x2+y2)32f_{xy} = \frac{-xy}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}}
- fyx=xy(x2+y2)32f_{yx} = \frac{-xy}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}}
c) f(x,y)=2xln(x2+y2)f(x,y) = 2x \ln(x^2 + y^2)
- fxx=4x3+12xy2(x2+y2)2f_{xx} = \frac{4x^3 + 12xy^2}{(x^2 + y^2)^2}
- fyy=4x34xy2(x2+y2)2f_{yy} = \frac{4x^3 - 4xy^2}{(x^2 + y^2)^2}
- fxy=4y34x2y(x2+y2)2f_{xy} = \frac{4y^3 - 4x^2y}{(x^2 + y^2)^2}
- fyx=4y34x2y(x2+y2)2f_{yx} = \frac{4y^3 - 4x^2y}{(x^2 + y^2)^2}
d) f(x,y)=ex2+y2f(x,y) = e^{x^2 + y^2}
- fxx=(2+4x2)ex2+y2f_{xx} = (2 + 4x^2)e^{x^2 + y^2}
- fyy=(2+4y2)ex2+y2f_{yy} = (2 + 4y^2)e^{x^2 + y^2}
- fxy=4xyex2+y2f_{xy} = 4xye^{x^2 + y^2}
- fyx=4xyex2+y2f_{yx} = 4xye^{x^2 + y^2}

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