問題は、$u = u(x, y)$ かつ $x = r \cos\theta$, $y = r \sin\theta$ であるとき、以下の問いに答える問題です。 (1) $\frac{\partial u}{\partial r}$, $\frac{\partial u}{\partial \theta}$ を $\frac{\partial u}{\partial x}$, $\frac{\partial u}{\partial y}$ で表しなさい。 (2) $\frac{\partial u}{\partial x}$, $\frac{\partial u}{\partial y}$ を $\frac{\partial u}{\partial r}$, $\frac{\partial u}{\partial \theta}$ で表しなさい。 (3) $\left(\frac{\partial u}{\partial x}\right)^2 + \left(\frac{\partial u}{\partial y}\right)^2$ と $\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2}$ を $\frac{\partial u}{\partial r}$, $\frac{\partial u}{\partial \theta}$, $\frac{\partial^2 u}{\partial r^2}$, $\frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2}$ で表しなさい。

解析学偏微分合成関数の微分座標変換
2025/7/9
はい、承知いたしました。画像にある数学の問題を解きます。

1. 問題の内容

問題は、u=u(x,y)u = u(x, y) かつ x=rcosθx = r \cos\theta, y=rsinθy = r \sin\theta であるとき、以下の問いに答える問題です。
(1) ur\frac{\partial u}{\partial r}, uθ\frac{\partial u}{\partial \theta}ux\frac{\partial u}{\partial x}, uy\frac{\partial u}{\partial y} で表しなさい。
(2) ux\frac{\partial u}{\partial x}, uy\frac{\partial u}{\partial y}ur\frac{\partial u}{\partial r}, uθ\frac{\partial u}{\partial \theta} で表しなさい。
(3) (ux)2+(uy)2\left(\frac{\partial u}{\partial x}\right)^2 + \left(\frac{\partial u}{\partial y}\right)^22ux2+2uy2\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2}ur\frac{\partial u}{\partial r}, uθ\frac{\partial u}{\partial \theta}, 2ur2\frac{\partial^2 u}{\partial r^2}, 2uθ2\frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2} で表しなさい。

2. 解き方の手順

(1) 合成関数の微分法より、
ur=uxxr+uyyr\frac{\partial u}{\partial r} = \frac{\partial u}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial r} + \frac{\partial u}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial r}
uθ=uxxθ+uyyθ\frac{\partial u}{\partial \theta} = \frac{\partial u}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial \theta} + \frac{\partial u}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial \theta}
x=rcosθx = r \cos\theta, y=rsinθy = r \sin\theta より、
xr=cosθ\frac{\partial x}{\partial r} = \cos\theta, yr=sinθ\frac{\partial y}{\partial r} = \sin\theta, xθ=rsinθ\frac{\partial x}{\partial \theta} = -r\sin\theta, yθ=rcosθ\frac{\partial y}{\partial \theta} = r\cos\theta
したがって、
ur=cosθux+sinθuy\frac{\partial u}{\partial r} = \cos\theta\frac{\partial u}{\partial x} + \sin\theta\frac{\partial u}{\partial y}
uθ=rsinθux+rcosθuy\frac{\partial u}{\partial \theta} = -r\sin\theta\frac{\partial u}{\partial x} + r\cos\theta\frac{\partial u}{\partial y}
(2) (1)の結果を連立方程式と見て、ux\frac{\partial u}{\partial x}uy\frac{\partial u}{\partial y} について解きます。
ur=cosθux+sinθuy\frac{\partial u}{\partial r} = \cos\theta\frac{\partial u}{\partial x} + \sin\theta\frac{\partial u}{\partial y}
uθ=rsinθux+rcosθuy\frac{\partial u}{\partial \theta} = -r\sin\theta\frac{\partial u}{\partial x} + r\cos\theta\frac{\partial u}{\partial y}
これを行列で表すと、
(cosθsinθrsinθrcosθ)(uxuy)=(uruθ)\begin{pmatrix} \cos\theta & \sin\theta \\ -r\sin\theta & r\cos\theta \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \frac{\partial u}{\partial x} \\ \frac{\partial u}{\partial y} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{\partial u}{\partial r} \\ \frac{\partial u}{\partial \theta} \end{pmatrix}
逆行列を左からかけると、
(uxuy)=(cosθsinθrsinθrcosθ)1(uruθ)\begin{pmatrix} \frac{\partial u}{\partial x} \\ \frac{\partial u}{\partial y} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \cos\theta & \sin\theta \\ -r\sin\theta & r\cos\theta \end{pmatrix}^{-1} \begin{pmatrix} \frac{\partial u}{\partial r} \\ \frac{\partial u}{\partial \theta} \end{pmatrix}
(cosθsinθrsinθrcosθ)\begin{pmatrix} \cos\theta & \sin\theta \\ -r\sin\theta & r\cos\theta \end{pmatrix} の行列式は rcos2θ+rsin2θ=rr\cos^2\theta + r\sin^2\theta = r であるので、逆行列は
1r(rcosθsinθrsinθcosθ)=(cosθsinθrsinθcosθr)\frac{1}{r}\begin{pmatrix} r\cos\theta & -\sin\theta \\ r\sin\theta & \cos\theta \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \cos\theta & -\frac{\sin\theta}{r} \\ \sin\theta & \frac{\cos\theta}{r} \end{pmatrix}
したがって、
ux=cosθursinθruθ\frac{\partial u}{\partial x} = \cos\theta\frac{\partial u}{\partial r} - \frac{\sin\theta}{r}\frac{\partial u}{\partial \theta}
uy=sinθur+cosθruθ\frac{\partial u}{\partial y} = \sin\theta\frac{\partial u}{\partial r} + \frac{\cos\theta}{r}\frac{\partial u}{\partial \theta}
(3)
(ux)2+(uy)2=(cosθursinθruθ)2+(sinθur+cosθruθ)2\left(\frac{\partial u}{\partial x}\right)^2 + \left(\frac{\partial u}{\partial y}\right)^2 = \left(\cos\theta\frac{\partial u}{\partial r} - \frac{\sin\theta}{r}\frac{\partial u}{\partial \theta}\right)^2 + \left(\sin\theta\frac{\partial u}{\partial r} + \frac{\cos\theta}{r}\frac{\partial u}{\partial \theta}\right)^2
=cos2θ(ur)22cosθsinθ1ruruθ+sin2θr2(uθ)2+sin2θ(ur)2+2sinθcosθ1ruruθ+cos2θr2(uθ)2= \cos^2\theta \left(\frac{\partial u}{\partial r}\right)^2 - 2\cos\theta\sin\theta \frac{1}{r}\frac{\partial u}{\partial r}\frac{\partial u}{\partial \theta} + \frac{\sin^2\theta}{r^2}\left(\frac{\partial u}{\partial \theta}\right)^2 + \sin^2\theta \left(\frac{\partial u}{\partial r}\right)^2 + 2\sin\theta\cos\theta \frac{1}{r}\frac{\partial u}{\partial r}\frac{\partial u}{\partial \theta} + \frac{\cos^2\theta}{r^2}\left(\frac{\partial u}{\partial \theta}\right)^2
=(cos2θ+sin2θ)(ur)2+(sin2θr2+cos2θr2)(uθ)2= \left(\cos^2\theta + \sin^2\theta\right)\left(\frac{\partial u}{\partial r}\right)^2 + \left(\frac{\sin^2\theta}{r^2} + \frac{\cos^2\theta}{r^2}\right)\left(\frac{\partial u}{\partial \theta}\right)^2
=(ur)2+1r2(uθ)2= \left(\frac{\partial u}{\partial r}\right)^2 + \frac{1}{r^2}\left(\frac{\partial u}{\partial \theta}\right)^2
2ux2+2uy2=2ur2+1rur+1r22uθ2\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = \frac{\partial^2 u}{\partial r^2} + \frac{1}{r}\frac{\partial u}{\partial r} + \frac{1}{r^2}\frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2}

3. 最終的な答え

(1)
ur=cosθux+sinθuy\frac{\partial u}{\partial r} = \cos\theta\frac{\partial u}{\partial x} + \sin\theta\frac{\partial u}{\partial y}
uθ=rsinθux+rcosθuy\frac{\partial u}{\partial \theta} = -r\sin\theta\frac{\partial u}{\partial x} + r\cos\theta\frac{\partial u}{\partial y}
(2)
ux=cosθursinθruθ\frac{\partial u}{\partial x} = \cos\theta\frac{\partial u}{\partial r} - \frac{\sin\theta}{r}\frac{\partial u}{\partial \theta}
uy=sinθur+cosθruθ\frac{\partial u}{\partial y} = \sin\theta\frac{\partial u}{\partial r} + \frac{\cos\theta}{r}\frac{\partial u}{\partial \theta}
(3)
(ux)2+(uy)2=(ur)2+1r2(uθ)2\left(\frac{\partial u}{\partial x}\right)^2 + \left(\frac{\partial u}{\partial y}\right)^2 = \left(\frac{\partial u}{\partial r}\right)^2 + \frac{1}{r^2}\left(\frac{\partial u}{\partial \theta}\right)^2
2ux2+2uy2=2ur2+1rur+1r22uθ2\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = \frac{\partial^2 u}{\partial r^2} + \frac{1}{r}\frac{\partial u}{\partial r} + \frac{1}{r^2}\frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2}

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