2変数関数のマクローリン展開(原点周りのテイラー展開)を3次の項まで求める問題です。 (1) $z = e^{x+y}$ (2) $z = e^x \cos y$

解析学テイラー展開マクローリン展開多変数関数偏微分
2025/7/6

1. 問題の内容

2変数関数のマクローリン展開(原点周りのテイラー展開)を3次の項まで求める問題です。
(1) z=ex+yz = e^{x+y}
(2) z=excosyz = e^x \cos y

2. 解き方の手順

(1) z=ex+yz = e^{x+y}の場合
マクローリン展開は、
f(x,y)=f(0,0)+fx(0,0)x+fy(0,0)y+12(fxx(0,0)x2+2fxy(0,0)xy+fyy(0,0)y2)+16(fxxx(0,0)x3+3fxxy(0,0)x2y+3fxyy(0,0)xy2+fyyy(0,0)y3)+f(x,y) = f(0,0) + f_x(0,0)x + f_y(0,0)y + \frac{1}{2}(f_{xx}(0,0)x^2 + 2f_{xy}(0,0)xy + f_{yy}(0,0)y^2) + \frac{1}{6}(f_{xxx}(0,0)x^3 + 3f_{xxy}(0,0)x^2y + 3f_{xyy}(0,0)xy^2 + f_{yyy}(0,0)y^3) + \cdots
で与えられます。
f(x,y)=ex+yf(x,y) = e^{x+y}
f(0,0)=e0=1f(0,0) = e^0 = 1
fx(x,y)=ex+yf_x(x,y) = e^{x+y}
fx(0,0)=1f_x(0,0) = 1
fy(x,y)=ex+yf_y(x,y) = e^{x+y}
fy(0,0)=1f_y(0,0) = 1
fxx(x,y)=ex+yf_{xx}(x,y) = e^{x+y}
fxx(0,0)=1f_{xx}(0,0) = 1
fxy(x,y)=ex+yf_{xy}(x,y) = e^{x+y}
fxy(0,0)=1f_{xy}(0,0) = 1
fyy(x,y)=ex+yf_{yy}(x,y) = e^{x+y}
fyy(0,0)=1f_{yy}(0,0) = 1
fxxx(x,y)=ex+yf_{xxx}(x,y) = e^{x+y}
fxxx(0,0)=1f_{xxx}(0,0) = 1
fxxy(x,y)=ex+yf_{xxy}(x,y) = e^{x+y}
fxxy(0,0)=1f_{xxy}(0,0) = 1
fxyy(x,y)=ex+yf_{xyy}(x,y) = e^{x+y}
fxyy(0,0)=1f_{xyy}(0,0) = 1
fyyy(x,y)=ex+yf_{yyy}(x,y) = e^{x+y}
fyyy(0,0)=1f_{yyy}(0,0) = 1
したがって、
ex+y=1+x+y+12(x2+2xy+y2)+16(x3+3x2y+3xy2+y3)+e^{x+y} = 1 + x + y + \frac{1}{2}(x^2 + 2xy + y^2) + \frac{1}{6}(x^3 + 3x^2y + 3xy^2 + y^3) + \cdots
ex+y=1+(x+y)+12(x+y)2+16(x+y)3+e^{x+y} = 1 + (x+y) + \frac{1}{2}(x+y)^2 + \frac{1}{6}(x+y)^3 + \cdots
(2) z=excosyz = e^x \cos yの場合
f(x,y)=excosyf(x,y) = e^x \cos y
f(0,0)=e0cos0=1f(0,0) = e^0 \cos 0 = 1
fx(x,y)=excosyf_x(x,y) = e^x \cos y
fx(0,0)=1f_x(0,0) = 1
fy(x,y)=exsinyf_y(x,y) = -e^x \sin y
fy(0,0)=0f_y(0,0) = 0
fxx(x,y)=excosyf_{xx}(x,y) = e^x \cos y
fxx(0,0)=1f_{xx}(0,0) = 1
fxy(x,y)=exsinyf_{xy}(x,y) = -e^x \sin y
fxy(0,0)=0f_{xy}(0,0) = 0
fyy(x,y)=excosyf_{yy}(x,y) = -e^x \cos y
fyy(0,0)=1f_{yy}(0,0) = -1
fxxx(x,y)=excosyf_{xxx}(x,y) = e^x \cos y
fxxx(0,0)=1f_{xxx}(0,0) = 1
fxxy(x,y)=exsinyf_{xxy}(x,y) = -e^x \sin y
fxxy(0,0)=0f_{xxy}(0,0) = 0
fxyy(x,y)=excosyf_{xyy}(x,y) = -e^x \cos y
fxyy(0,0)=1f_{xyy}(0,0) = -1
fyyy(x,y)=exsinyf_{yyy}(x,y) = e^x \sin y
fyyy(0,0)=0f_{yyy}(0,0) = 0
したがって、
excosy=1+x+12(x2y2)+16(x33xy2)+e^x \cos y = 1 + x + \frac{1}{2}(x^2 - y^2) + \frac{1}{6}(x^3 - 3xy^2) + \cdots

3. 最終的な答え

(1) ex+y=1+x+y+12(x+y)2+16(x+y)3+e^{x+y} = 1 + x + y + \frac{1}{2}(x+y)^2 + \frac{1}{6}(x+y)^3 + \cdots
(2) excosy=1+x+12(x2y2)+16(x33xy2)+e^x \cos y = 1 + x + \frac{1}{2}(x^2 - y^2) + \frac{1}{6}(x^3 - 3xy^2) + \cdots

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