与えられた4つの関数 $z$ について、それぞれの関数を $x$ と $y$ で偏微分する問題です。 (1) $z = e^{\frac{x}{y}}$ (2) $z = \tan^{-1}\frac{y}{x}$ (3) $z = x^y + y^x$ ($x>0, y>0$) (4) $z = \frac{x^y}{y^x}$ ($x>0, y>0$)

解析学偏微分多変数関数合成関数指数関数対数関数三角関数
2025/7/6

1. 問題の内容

与えられた4つの関数 zz について、それぞれの関数を xxyy で偏微分する問題です。
(1) z=exyz = e^{\frac{x}{y}}
(2) z=tan1yxz = \tan^{-1}\frac{y}{x}
(3) z=xy+yxz = x^y + y^x (x>0,y>0x>0, y>0)
(4) z=xyyxz = \frac{x^y}{y^x} (x>0,y>0x>0, y>0)

2. 解き方の手順

(1) z=exyz = e^{\frac{x}{y}} の場合
* xx で偏微分:
zx=exyx(xy)=exy1y=1yexy\frac{\partial z}{\partial x} = e^{\frac{x}{y}} \cdot \frac{\partial}{\partial x}(\frac{x}{y}) = e^{\frac{x}{y}} \cdot \frac{1}{y} = \frac{1}{y} e^{\frac{x}{y}}
* yy で偏微分:
zy=exyy(xy)=exy(xy2)=xy2exy\frac{\partial z}{\partial y} = e^{\frac{x}{y}} \cdot \frac{\partial}{\partial y}(\frac{x}{y}) = e^{\frac{x}{y}} \cdot (-\frac{x}{y^2}) = -\frac{x}{y^2} e^{\frac{x}{y}}
(2) z=tan1yxz = \tan^{-1}\frac{y}{x} の場合
* xx で偏微分:
zx=11+(yx)2x(yx)=11+y2x2(yx2)=x2x2+y2(yx2)=yx2+y2\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{1}{1+(\frac{y}{x})^2} \cdot \frac{\partial}{\partial x}(\frac{y}{x}) = \frac{1}{1+\frac{y^2}{x^2}} \cdot (-\frac{y}{x^2}) = \frac{x^2}{x^2+y^2} \cdot (-\frac{y}{x^2}) = -\frac{y}{x^2+y^2}
* yy で偏微分:
zy=11+(yx)2y(yx)=11+y2x21x=x2x2+y21x=xx2+y2\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{1}{1+(\frac{y}{x})^2} \cdot \frac{\partial}{\partial y}(\frac{y}{x}) = \frac{1}{1+\frac{y^2}{x^2}} \cdot \frac{1}{x} = \frac{x^2}{x^2+y^2} \cdot \frac{1}{x} = \frac{x}{x^2+y^2}
(3) z=xy+yxz = x^y + y^x の場合
* xx で偏微分:
zx=x(xy)+x(yx)=yxy1+yxlny\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x}(x^y) + \frac{\partial}{\partial x}(y^x) = yx^{y-1} + y^x \ln y
* yy で偏微分:
zy=y(xy)+y(yx)=xylnx+xyx1\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y}(x^y) + \frac{\partial}{\partial y}(y^x) = x^y \ln x + xy^{x-1}
(4) z=xyyxz = \frac{x^y}{y^x} の場合
* xx で偏微分:
zx=yxx(xy)xyx(yx)(yx)2=yx(yxy1)xy(yxlny)(yx)2=yx+1xy1xyyxlnyy2x=yxy1xylnyyx\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{y^x \frac{\partial}{\partial x}(x^y) - x^y \frac{\partial}{\partial x}(y^x)}{(y^x)^2} = \frac{y^x (yx^{y-1}) - x^y (y^x \ln y)}{(y^x)^2} = \frac{y^{x+1} x^{y-1} - x^y y^x \ln y}{y^{2x}} = \frac{yx^{y-1} - x^y \ln y}{y^x}
* yy で偏微分:
zy=yxy(xy)xyy(yx)(yx)2=yx(xylnx)xy(xyx1)(yx)2=yxxylnxxy+1yx1y2x=xylnxxy+1y1yxyx\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{y^x \frac{\partial}{\partial y}(x^y) - x^y \frac{\partial}{\partial y}(y^x)}{(y^x)^2} = \frac{y^x (x^y \ln x) - x^y (xy^{x-1})}{(y^x)^2} = \frac{y^x x^y \ln x - x^{y+1} y^{x-1}}{y^{2x}} = \frac{x^y \ln x - x^{y+1}y^{-1}y^{x}}{y^x}
xy(lnx)xy+1yyx\frac{x^y(\ln x) - \frac{x^{y+1}}{y}}{y^x}

3. 最終的な答え

(1)
zx=1yexy\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{1}{y} e^{\frac{x}{y}}
zy=xy2exy\frac{\partial z}{\partial y} = -\frac{x}{y^2} e^{\frac{x}{y}}
(2)
zx=yx2+y2\frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{y}{x^2+y^2}
zy=xx2+y2\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{x}{x^2+y^2}
(3)
zx=yxy1+yxlny\frac{\partial z}{\partial x} = yx^{y-1} + y^x \ln y
zy=xylnx+xyx1\frac{\partial z}{\partial y} = x^y \ln x + xy^{x-1}
(4)
zx=yxy1xylnyyx\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{yx^{y-1} - x^y \ln y}{y^x}
zy=xylnxxy+1/yyx\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{x^y \ln x - x^{y+1}/y}{y^x}

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