$z = f(x, y)$ を全微分可能な関数とし、$x = u \cos\alpha + v \sin\alpha$, $y = -u \sin\alpha + v \cos\alpha$ ($\alpha$ は定数) とするとき、 $(\frac{\partial z}{\partial x})^2 + (\frac{\partial z}{\partial y})^2 = (\frac{\partial z}{\partial u})^2 + (\frac{\partial z}{\partial v})^2$ を示す問題です。

解析学偏微分合成関数の微分全微分変数変換
2025/7/3

1. 問題の内容

z=f(x,y)z = f(x, y) を全微分可能な関数とし、x=ucosα+vsinαx = u \cos\alpha + v \sin\alpha, y=usinα+vcosαy = -u \sin\alpha + v \cos\alpha (α\alpha は定数) とするとき、 (zx)2+(zy)2=(zu)2+(zv)2(\frac{\partial z}{\partial x})^2 + (\frac{\partial z}{\partial y})^2 = (\frac{\partial z}{\partial u})^2 + (\frac{\partial z}{\partial v})^2 を示す問題です。

2. 解き方の手順

まず、合成関数の微分を用いて zu\frac{\partial z}{\partial u}zv\frac{\partial z}{\partial v}zx\frac{\partial z}{\partial x}zy\frac{\partial z}{\partial y} で表します。
zu=zxxu+zyyu\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial u}
zv=zxxv+zyyv\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial v}
与えられた xxyy の式から、偏微分を計算します。
xu=cosα\frac{\partial x}{\partial u} = \cos\alpha, xv=sinα\frac{\partial x}{\partial v} = \sin\alpha,
yu=sinα\frac{\partial y}{\partial u} = -\sin\alpha, yv=cosα\frac{\partial y}{\partial v} = \cos\alpha
これらを代入すると、
zu=zxcosα+zy(sinα)\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{\partial z}{\partial x} \cos\alpha + \frac{\partial z}{\partial y} (-\sin\alpha)
zv=zxsinα+zycosα\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{\partial z}{\partial x} \sin\alpha + \frac{\partial z}{\partial y} \cos\alpha
次に、 (zu)2+(zv)2(\frac{\partial z}{\partial u})^2 + (\frac{\partial z}{\partial v})^2 を計算します。
(zu)2=(zxcosαzysinα)2=(zx)2cos2α2zxzycosαsinα+(zy)2sin2α(\frac{\partial z}{\partial u})^2 = (\frac{\partial z}{\partial x} \cos\alpha - \frac{\partial z}{\partial y} \sin\alpha)^2 = (\frac{\partial z}{\partial x})^2 \cos^2\alpha - 2 \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial z}{\partial y} \cos\alpha \sin\alpha + (\frac{\partial z}{\partial y})^2 \sin^2\alpha
(zv)2=(zxsinα+zycosα)2=(zx)2sin2α+2zxzysinαcosα+(zy)2cos2α(\frac{\partial z}{\partial v})^2 = (\frac{\partial z}{\partial x} \sin\alpha + \frac{\partial z}{\partial y} \cos\alpha)^2 = (\frac{\partial z}{\partial x})^2 \sin^2\alpha + 2 \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial z}{\partial y} \sin\alpha \cos\alpha + (\frac{\partial z}{\partial y})^2 \cos^2\alpha
これらの和をとると、
(zu)2+(zv)2=(zx)2(cos2α+sin2α)+(zy)2(sin2α+cos2α)(\frac{\partial z}{\partial u})^2 + (\frac{\partial z}{\partial v})^2 = (\frac{\partial z}{\partial x})^2 (\cos^2\alpha + \sin^2\alpha) + (\frac{\partial z}{\partial y})^2 (\sin^2\alpha + \cos^2\alpha)
sin2α+cos2α=1\sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1 であるから、
(zu)2+(zv)2=(zx)2+(zy)2(\frac{\partial z}{\partial u})^2 + (\frac{\partial z}{\partial v})^2 = (\frac{\partial z}{\partial x})^2 + (\frac{\partial z}{\partial y})^2

3. 最終的な答え

(zx)2+(zy)2=(zu)2+(zv)2(\frac{\partial z}{\partial x})^2 + (\frac{\partial z}{\partial y})^2 = (\frac{\partial z}{\partial u})^2 + (\frac{\partial z}{\partial v})^2

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