$f: \mathbb{R}^2 \rightarrow \mathbb{R}$, $g: \mathbb{R}^2 \rightarrow \mathbb{R}$ が $\mathbb{R}^2$ 上で $C^2$ 級であり、次の関係式を満たすと仮定する。 $\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{\partial g}{\partial y}$, $\frac{\partial g}{\partial x} = - \frac{\partial f}{\partial y}$ (1) $\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = 0$ を証明せよ。 (2) $r > 0$, $\theta \in \mathbb{R}$ に対して、$\varphi(r, \theta) = r \cos \theta$, $\psi(r, \theta) = r \sin \theta$ とし、$F(r, \theta) = f(\varphi(r, \theta), \psi(r, \theta))$, $G(r, \theta) = g(\varphi(r, \theta), \psi(r, \theta))$ とする。このとき、次の関係式が成り立つことを証明せよ。 $r \frac{\partial F}{\partial r} = \frac{\partial G}{\partial \theta}$, $\frac{1}{r} \frac{\partial F}{\partial \theta} = - \frac{\partial G}{\partial r}$

解析学偏微分連鎖律調和関数複素解析
2025/7/5

1. 問題の内容

f:R2Rf: \mathbb{R}^2 \rightarrow \mathbb{R}, g:R2Rg: \mathbb{R}^2 \rightarrow \mathbb{R}R2\mathbb{R}^2 上で C2C^2 級であり、次の関係式を満たすと仮定する。
fx=gy\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{\partial g}{\partial y}, gx=fy\frac{\partial g}{\partial x} = - \frac{\partial f}{\partial y}
(1) 2fx2+2fy2=0\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = 0 を証明せよ。
(2) r>0r > 0, θR\theta \in \mathbb{R} に対して、φ(r,θ)=rcosθ\varphi(r, \theta) = r \cos \theta, ψ(r,θ)=rsinθ\psi(r, \theta) = r \sin \theta とし、F(r,θ)=f(φ(r,θ),ψ(r,θ))F(r, \theta) = f(\varphi(r, \theta), \psi(r, \theta)), G(r,θ)=g(φ(r,θ),ψ(r,θ))G(r, \theta) = g(\varphi(r, \theta), \psi(r, \theta)) とする。このとき、次の関係式が成り立つことを証明せよ。
rFr=Gθr \frac{\partial F}{\partial r} = \frac{\partial G}{\partial \theta}, 1rFθ=Gr\frac{1}{r} \frac{\partial F}{\partial \theta} = - \frac{\partial G}{\partial r}

2. 解き方の手順

(1) 与えられた条件 fx=gy\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{\partial g}{\partial y}xx で偏微分すると 2fx2=2gxy\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = \frac{\partial^2 g}{\partial x \partial y} となる。
また、gx=fy\frac{\partial g}{\partial x} = - \frac{\partial f}{\partial y}yy で偏微分すると 2gyx=2fy2\frac{\partial^2 g}{\partial y \partial x} = - \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} となる。
f,gf, gC2C^2 級であるから、2gxy=2gyx\frac{\partial^2 g}{\partial x \partial y} = \frac{\partial^2 g}{\partial y \partial x} が成り立つ。したがって、
2fx2=2gxy=2gyx=2fy2\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = \frac{\partial^2 g}{\partial x \partial y} = \frac{\partial^2 g}{\partial y \partial x} = - \frac{\partial^2 f}{\partial y^2}
よって、2fx2+2fy2=0\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = 0 が示された。
(2) F(r,θ)=f(φ(r,θ),ψ(r,θ))=f(rcosθ,rsinθ)F(r, \theta) = f(\varphi(r, \theta), \psi(r, \theta)) = f(r \cos \theta, r \sin \theta) であるから、連鎖律を用いて
Fr=fxφr+fyψr=fxcosθ+fysinθ\frac{\partial F}{\partial r} = \frac{\partial f}{\partial x} \frac{\partial \varphi}{\partial r} + \frac{\partial f}{\partial y} \frac{\partial \psi}{\partial r} = \frac{\partial f}{\partial x} \cos \theta + \frac{\partial f}{\partial y} \sin \theta
Fθ=fxφθ+fyψθ=fx(rsinθ)+fy(rcosθ)\frac{\partial F}{\partial \theta} = \frac{\partial f}{\partial x} \frac{\partial \varphi}{\partial \theta} + \frac{\partial f}{\partial y} \frac{\partial \psi}{\partial \theta} = \frac{\partial f}{\partial x} (-r \sin \theta) + \frac{\partial f}{\partial y} (r \cos \theta)
同様に、G(r,θ)=g(φ(r,θ),ψ(r,θ))=g(rcosθ,rsinθ)G(r, \theta) = g(\varphi(r, \theta), \psi(r, \theta)) = g(r \cos \theta, r \sin \theta) であるから、
Gr=gxφr+gyψr=gxcosθ+gysinθ\frac{\partial G}{\partial r} = \frac{\partial g}{\partial x} \frac{\partial \varphi}{\partial r} + \frac{\partial g}{\partial y} \frac{\partial \psi}{\partial r} = \frac{\partial g}{\partial x} \cos \theta + \frac{\partial g}{\partial y} \sin \theta
Gθ=gxφθ+gyψθ=gx(rsinθ)+gy(rcosθ)\frac{\partial G}{\partial \theta} = \frac{\partial g}{\partial x} \frac{\partial \varphi}{\partial \theta} + \frac{\partial g}{\partial y} \frac{\partial \psi}{\partial \theta} = \frac{\partial g}{\partial x} (-r \sin \theta) + \frac{\partial g}{\partial y} (r \cos \theta)
ここで、fx=gy\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{\partial g}{\partial y}, gx=fy\frac{\partial g}{\partial x} = - \frac{\partial f}{\partial y} を用いると、
Gθ=fy(rsinθ)+fx(rcosθ)=rsinθfy+rcosθfx=r(cosθfx+sinθfy)=rFr\frac{\partial G}{\partial \theta} = - \frac{\partial f}{\partial y} (-r \sin \theta) + \frac{\partial f}{\partial x} (r \cos \theta) = r \sin \theta \frac{\partial f}{\partial y} + r \cos \theta \frac{\partial f}{\partial x} = r (\cos \theta \frac{\partial f}{\partial x} + \sin \theta \frac{\partial f}{\partial y}) = r \frac{\partial F}{\partial r}
Gr=fycosθ+fxsinθ\frac{\partial G}{\partial r} = - \frac{\partial f}{\partial y} \cos \theta + \frac{\partial f}{\partial x} \sin \theta
1rFθ=1r[fx(rsinθ)+fy(rcosθ)]=fxsinθfycosθ=gysinθgxcosθ=Gr- \frac{1}{r} \frac{\partial F}{\partial \theta} = - \frac{1}{r} [\frac{\partial f}{\partial x} (-r \sin \theta) + \frac{\partial f}{\partial y} (r \cos \theta)] = \frac{\partial f}{\partial x} \sin \theta - \frac{\partial f}{\partial y} \cos \theta = \frac{\partial g}{\partial y} \sin \theta - \frac{\partial g}{\partial x} \cos \theta = - \frac{\partial G}{\partial r}
したがって、rFr=Gθr \frac{\partial F}{\partial r} = \frac{\partial G}{\partial \theta}, 1rFθ=Gr\frac{1}{r} \frac{\partial F}{\partial \theta} = - \frac{\partial G}{\partial r} が示された。

3. 最終的な答え

(1) 2fx2+2fy2=0\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = 0
(2) rFr=Gθr \frac{\partial F}{\partial r} = \frac{\partial G}{\partial \theta}, 1rFθ=Gr\frac{1}{r} \frac{\partial F}{\partial \theta} = - \frac{\partial G}{\partial r}

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