$f: \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}$ と $g: \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}$ は $\mathbb{R}^2$ 上で $C^2$ 級であり、以下の関係式を満たすとします。 $\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{\partial g}{\partial y}, \quad \frac{\partial g}{\partial x} = -\frac{\partial f}{\partial y}$ このとき、以下の3つの問題に答えます。 (1) $\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = 0$ を証明します。 (2) $r > 0, \theta \in \mathbb{R}$ に対して、$\varphi(r, \theta) = r \cos \theta, \psi(r, \theta) = r \sin \theta$ とし、$F(r, \theta) = f(\varphi(r, \theta), \psi(r, \theta)), G(r, \theta) = g(\varphi(r, \theta), \psi(r, \theta))$ とします。このとき、次の関係式が成り立つことを証明します。 $r \frac{\partial F}{\partial r} = \frac{\partial G}{\partial \theta}, \quad \frac{1}{r} \frac{\partial F}{\partial \theta} = - \frac{\partial G}{\partial r}$ (3) $\frac{\partial^2 F}{\partial r^2} + \frac{1}{r^2} \frac{\partial^2 F}{\partial \theta^2} + \frac{1}{r} \frac{\partial F}{\partial r} = \frac{\partial^2 f}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial y^2}$ が $\mathbb{R}^2 \setminus \{(0,0)\}$ 上で成り立つことを証明します。
2025/7/11
1. 問題の内容
と は 上で 級であり、以下の関係式を満たすとします。
このとき、以下の3つの問題に答えます。
(1) を証明します。
(2) に対して、 とし、 とします。このとき、次の関係式が成り立つことを証明します。
(3) が 上で成り立つことを証明します。
2. 解き方の手順
(1) 与えられた関係式 と を使います。
と は 級なので、 が成り立ちます。
したがって、 となります。
(2) と に対して、偏微分を計算します。
与えられた関係式 と を使うと、
よって、 と が成り立ちます。
(3) (2)の結果を使い、さらに偏微分を計算して, を求めます。
それらをに代入して、(1)の結果を使うと、 が得られます。
3. 最終的な答え
(1)
(2)
(3)