$z = f(x, y)$ であり、$x = u + 3v$, $y = 2u + v$ であるとき、以下の問題を解く。 1. $z_u$ と $z_v$ を $z_x$ と $z_y$ を用いて表せ。

解析学偏微分連鎖律偏導関数
2025/7/10

1. 問題の内容

z=f(x,y)z = f(x, y) であり、x=u+3vx = u + 3v, y=2u+vy = 2u + v であるとき、以下の問題を解く。

1. $z_u$ と $z_v$ を $z_x$ と $z_y$ を用いて表せ。

2. $z_{uu}$, $z_{uv}$, $z_{vv}$ を $z_{xx}$, $z_{xy}$, $z_{yy}$ を用いて表せ。

2. 解き方の手順

問題1:
連鎖律を用いる。
* zu=zu=zxxu+zyyu=zxxu+zyyuz_u = \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} = z_x \frac{\partial x}{\partial u} + z_y \frac{\partial y}{\partial u}
xu=1\frac{\partial x}{\partial u} = 1, yu=2\frac{\partial y}{\partial u} = 2 より、
zu=zx+2zyz_u = z_x + 2z_y
* zv=zv=zxxv+zyyv=zxxv+zyyvz_v = \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} = z_x \frac{\partial x}{\partial v} + z_y \frac{\partial y}{\partial v}
xv=3\frac{\partial x}{\partial v} = 3, yv=1\frac{\partial y}{\partial v} = 1 より、
zv=3zx+zyz_v = 3z_x + z_y
問題2:
問題1の結果をさらに微分する。
* zuu=u(zu)=u(zx+2zy)z_{uu} = \frac{\partial}{\partial u}(z_u) = \frac{\partial}{\partial u}(z_x + 2z_y)
=zxu+2zyu= \frac{\partial z_x}{\partial u} + 2\frac{\partial z_y}{\partial u}
=(zxxxu+zxyyu)+2(zyxxu+zyyyu)= (\frac{\partial z_x}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial z_x}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial u}) + 2(\frac{\partial z_y}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial z_y}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial u})
=(zxx1+zxy2)+2(zyx1+zyy2)= (z_{xx} \cdot 1 + z_{xy} \cdot 2) + 2(z_{yx} \cdot 1 + z_{yy} \cdot 2)
=zxx+2zxy+2zyx+4zyy= z_{xx} + 2z_{xy} + 2z_{yx} + 4z_{yy}
=zxx+4zxy+4zyy= z_{xx} + 4z_{xy} + 4z_{yy} (なぜなら zxy=zyxz_{xy} = z_{yx})
* zuv=v(zu)=v(zx+2zy)z_{uv} = \frac{\partial}{\partial v}(z_u) = \frac{\partial}{\partial v}(z_x + 2z_y)
=zxv+2zyv= \frac{\partial z_x}{\partial v} + 2\frac{\partial z_y}{\partial v}
=(zxxxv+zxyyv)+2(zyxxv+zyyyv)= (\frac{\partial z_x}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial z_x}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial v}) + 2(\frac{\partial z_y}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial z_y}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial v})
=(zxx3+zxy1)+2(zyx3+zyy1)= (z_{xx} \cdot 3 + z_{xy} \cdot 1) + 2(z_{yx} \cdot 3 + z_{yy} \cdot 1)
=3zxx+zxy+6zyx+2zyy= 3z_{xx} + z_{xy} + 6z_{yx} + 2z_{yy}
=3zxx+7zxy+2zyy= 3z_{xx} + 7z_{xy} + 2z_{yy}
* zvv=v(zv)=v(3zx+zy)z_{vv} = \frac{\partial}{\partial v}(z_v) = \frac{\partial}{\partial v}(3z_x + z_y)
=3zxv+zyv= 3\frac{\partial z_x}{\partial v} + \frac{\partial z_y}{\partial v}
=3(zxxxv+zxyyv)+(zyxxv+zyyyv)= 3(\frac{\partial z_x}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial z_x}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial v}) + (\frac{\partial z_y}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial z_y}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial v})
=3(zxx3+zxy1)+(zyx3+zyy1)= 3(z_{xx} \cdot 3 + z_{xy} \cdot 1) + (z_{yx} \cdot 3 + z_{yy} \cdot 1)
=9zxx+3zxy+3zyx+zyy= 9z_{xx} + 3z_{xy} + 3z_{yx} + z_{yy}
=9zxx+6zxy+zyy= 9z_{xx} + 6z_{xy} + z_{yy}

3. 最終的な答え

問題1:
zu=zx+2zyz_u = z_x + 2z_y
zv=3zx+zyz_v = 3z_x + z_y
問題2:
zuu=zxx+4zxy+4zyyz_{uu} = z_{xx} + 4z_{xy} + 4z_{yy}
zuv=3zxx+7zxy+2zyyz_{uv} = 3z_{xx} + 7z_{xy} + 2z_{yy}
zvv=9zxx+6zxy+zyyz_{vv} = 9z_{xx} + 6z_{xy} + z_{yy}

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