(1) $z = e^{xy}$ と $x = 2u + v^2$, $y = u^3v$ の合成関数の $\frac{\partial z}{\partial u}$ と $\frac{\partial z}{\partial v}$ を求めよ。 (2) $z = \log(xy)$ と $x = u^2 + v^2$, $y = 2uv$ の合成関数の $\frac{\partial z}{\partial u}$ と $\frac{\partial z}{\partial v}$ を求めよ。

解析学偏微分合成関数連鎖律
2025/7/6

1. 問題の内容

(1) z=exyz = e^{xy}x=2u+v2x = 2u + v^2, y=u3vy = u^3v の合成関数の zu\frac{\partial z}{\partial u}zv\frac{\partial z}{\partial v} を求めよ。
(2) z=log(xy)z = \log(xy)x=u2+v2x = u^2 + v^2, y=2uvy = 2uv の合成関数の zu\frac{\partial z}{\partial u}zv\frac{\partial z}{\partial v} を求めよ。

2. 解き方の手順

(1)
まず、zu\frac{\partial z}{\partial u}zv\frac{\partial z}{\partial v} を連鎖律を用いて計算する。
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}
それぞれの偏微分を計算する。
zx=yexy\frac{\partial z}{\partial x} = ye^{xy}
zy=xexy\frac{\partial z}{\partial y} = xe^{xy}
xu=2\frac{\partial x}{\partial u} = 2
xv=2v\frac{\partial x}{\partial v} = 2v
yu=3u2v\frac{\partial y}{\partial u} = 3u^2v
yv=u3\frac{\partial y}{\partial v} = u^3
これらを代入して、
zu=yexy(2)+xexy(3u2v)=2yexy+3xu2vexy=(2y+3xu2v)exy\frac{\partial z}{\partial u} = ye^{xy}(2) + xe^{xy}(3u^2v) = 2ye^{xy} + 3xu^2ve^{xy} = (2y + 3xu^2v)e^{xy}
zv=yexy(2v)+xexy(u3)=2vyexy+xu3exy=(2vy+xu3)exy\frac{\partial z}{\partial v} = ye^{xy}(2v) + xe^{xy}(u^3) = 2vye^{xy} + xu^3e^{xy} = (2vy + xu^3)e^{xy}
x=2u+v2x = 2u + v^2y=u3vy = u^3v を代入して整理する。
zu=(2u3v+3(2u+v2)u2v)e(2u+v2)u3v=(2u3v+6u3v+3u2v3)e(2u4v+u3v3)=(8u3v+3u2v3)e(2u4v+u3v3)=u2v(8u+3v2)e(2u4v+u3v3)\frac{\partial z}{\partial u} = (2u^3v + 3(2u+v^2)u^2v)e^{(2u+v^2)u^3v} = (2u^3v + 6u^3v + 3u^2v^3)e^{(2u^4v + u^3v^3)} = (8u^3v + 3u^2v^3)e^{(2u^4v + u^3v^3)} = u^2v(8u + 3v^2)e^{(2u^4v + u^3v^3)}
zv=(2v(u3v)+(2u+v2)u3)e(2u+v2)u3v=(2u3v2+2u4+u3v2)e(2u4v+u3v3)=(3u3v2+2u4)e(2u4v+u3v3)=u3(3v2+2u)e(2u4v+u3v3)\frac{\partial z}{\partial v} = (2v(u^3v) + (2u + v^2)u^3)e^{(2u+v^2)u^3v} = (2u^3v^2 + 2u^4 + u^3v^2)e^{(2u^4v + u^3v^3)} = (3u^3v^2 + 2u^4)e^{(2u^4v + u^3v^3)} = u^3(3v^2 + 2u)e^{(2u^4v + u^3v^3)}
(2)
まず、zu\frac{\partial z}{\partial u}zv\frac{\partial z}{\partial v} を連鎖律を用いて計算する。
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}
それぞれの偏微分を計算する。
zx=yxy=1x\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{y}{xy} = \frac{1}{x}
zy=xxy=1y\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{x}{xy} = \frac{1}{y}
xu=2u\frac{\partial x}{\partial u} = 2u
xv=2v\frac{\partial x}{\partial v} = 2v
yu=2v\frac{\partial y}{\partial u} = 2v
yv=2u\frac{\partial y}{\partial v} = 2u
これらを代入して、
zu=1x(2u)+1y(2v)=2ux+2vy\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{1}{x}(2u) + \frac{1}{y}(2v) = \frac{2u}{x} + \frac{2v}{y}
zv=1x(2v)+1y(2u)=2vx+2uy\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{1}{x}(2v) + \frac{1}{y}(2u) = \frac{2v}{x} + \frac{2u}{y}
x=u2+v2x = u^2 + v^2y=2uvy = 2uv を代入して整理する。
zu=2uu2+v2+2v2uv=2uu2+v2+1u=2u2+u2+v2u(u2+v2)=3u2+v2u(u2+v2)\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{2u}{u^2 + v^2} + \frac{2v}{2uv} = \frac{2u}{u^2 + v^2} + \frac{1}{u} = \frac{2u^2 + u^2 + v^2}{u(u^2+v^2)} = \frac{3u^2 + v^2}{u(u^2+v^2)}
zv=2vu2+v2+2u2uv=2vu2+v2+1v=2v2+u2+v2v(u2+v2)=u2+3v2v(u2+v2)\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{2v}{u^2 + v^2} + \frac{2u}{2uv} = \frac{2v}{u^2 + v^2} + \frac{1}{v} = \frac{2v^2 + u^2 + v^2}{v(u^2+v^2)} = \frac{u^2 + 3v^2}{v(u^2+v^2)}

3. 最終的な答え

(1)
zu=u2v(8u+3v2)e(2u4v+u3v3)\frac{\partial z}{\partial u} = u^2v(8u + 3v^2)e^{(2u^4v + u^3v^3)}
zv=u3(3v2+2u)e(2u4v+u3v3)\frac{\partial z}{\partial v} = u^3(3v^2 + 2u)e^{(2u^4v + u^3v^3)}
(2)
zu=3u2+v2u(u2+v2)\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{3u^2 + v^2}{u(u^2+v^2)}
zv=u2+3v2v(u2+v2)\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{u^2 + 3v^2}{v(u^2+v^2)}

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