$f: \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}$ 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。

解析学偏微分偏微分方程式ラプラシアン極座標
2025/7/11

1. 問題の内容

f:R2Rf: \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}g:R2Rg: \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}R2\mathbb{R}^2 上で C2C^2 級であり、以下の関係式を満たすとします。
fx=gy,gx=fy\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) 2fx2+2fy2=0\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = 0 を証明します。
(2) r>0,θRr > 0, \theta \in \mathbb{R} に対して、φ(r,θ)=rcosθ,ψ(r,θ)=rsinθ\varphi(r, \theta) = r \cos \theta, \psi(r, \theta) = r \sin \theta とし、F(r,θ)=f(φ(r,θ),ψ(r,θ)),G(r,θ)=g(φ(r,θ),ψ(r,θ))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。
rFr=Gθ,1rFθ=Grr \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) 2Fr2+1r22Fθ2+1rFr=2fx2+2fy2\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}R2{(0,0)}\mathbb{R}^2 \setminus \{(0,0)\} 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 fx=gy\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{\partial g}{\partial y}gx=fy\frac{\partial g}{\partial x} = -\frac{\partial f}{\partial y} を使います。
2fx2=x(fx)=x(gy)=2gxy\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x} (\frac{\partial f}{\partial x}) = \frac{\partial}{\partial x} (\frac{\partial g}{\partial y}) = \frac{\partial^2 g}{\partial x \partial y}
2fy2=y(fy)=y(gx)=2gyx\frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y} (\frac{\partial f}{\partial y}) = \frac{\partial}{\partial y} (-\frac{\partial g}{\partial x}) = -\frac{\partial^2 g}{\partial y \partial x}
ffggC2C^2 級なので、2gxy=2gyx\frac{\partial^2 g}{\partial x \partial y} = \frac{\partial^2 g}{\partial y \partial x} が成り立ちます。
したがって、2fx2+2fy2=2gxy2gyx=0\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = \frac{\partial^2 g}{\partial x \partial y} - \frac{\partial^2 g}{\partial y \partial x} = 0 となります。
(2) F(r,θ)=f(rcosθ,rsinθ)F(r, \theta) = f(r \cos \theta, r \sin \theta)G(r,θ)=g(rcosθ,rsinθ)G(r, \theta) = g(r \cos \theta, r \sin \theta) に対して、偏微分を計算します。
Fr=fx(rcosθ)r+fy(rsinθ)r=fxcosθ+fysinθ\frac{\partial F}{\partial r} = \frac{\partial f}{\partial x} \frac{\partial (r \cos \theta)}{\partial r} + \frac{\partial f}{\partial y} \frac{\partial (r \sin \theta)}{\partial r} = \frac{\partial f}{\partial x} \cos \theta + \frac{\partial f}{\partial y} \sin \theta
Fθ=fx(rcosθ)θ+fy(rsinθ)θ=fx(rsinθ)+fy(rcosθ)\frac{\partial F}{\partial \theta} = \frac{\partial f}{\partial x} \frac{\partial (r \cos \theta)}{\partial \theta} + \frac{\partial f}{\partial y} \frac{\partial (r \sin \theta)}{\partial \theta} = \frac{\partial f}{\partial x} (-r \sin \theta) + \frac{\partial f}{\partial y} (r \cos \theta)
Gr=gx(rcosθ)r+gy(rsinθ)r=gxcosθ+gysinθ\frac{\partial G}{\partial r} = \frac{\partial g}{\partial x} \frac{\partial (r \cos \theta)}{\partial r} + \frac{\partial g}{\partial y} \frac{\partial (r \sin \theta)}{\partial r} = \frac{\partial g}{\partial x} \cos \theta + \frac{\partial g}{\partial y} \sin \theta
Gθ=gx(rcosθ)θ+gy(rsinθ)θ=gx(rsinθ)+gy(rcosθ)\frac{\partial G}{\partial \theta} = \frac{\partial g}{\partial x} \frac{\partial (r \cos \theta)}{\partial \theta} + \frac{\partial g}{\partial y} \frac{\partial (r \sin \theta)}{\partial \theta} = \frac{\partial g}{\partial x} (-r \sin \theta) + \frac{\partial g}{\partial y} (r \cos \theta)
与えられた関係式 fx=gy\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{\partial g}{\partial y}gx=fy\frac{\partial g}{\partial x} = -\frac{\partial f}{\partial y} を使うと、
Gθ=fy(rsinθ)+fx(rcosθ)=rsinθfy+rcosθfx=r(cosθfx+sinθfy)=rFr\frac{\partial G}{\partial \theta} = -\frac{\partial f}{\partial y} (-r \sin \theta) + \frac{\partial f}{\partial x} (r \cos \theta) = r \sin \theta \frac{\partial f}{\partial y} + r \cos \theta \frac{\partial f}{\partial x} = r (\cos \theta \frac{\partial f}{\partial x} + \sin \theta \frac{\partial f}{\partial y}) = r \frac{\partial F}{\partial r}
Gr=(gxcosθ+gysinθ)=(fycosθfxsinθ)=1r(fyrcosθfxrsinθ)=1rFθ-\frac{\partial G}{\partial r} = -(\frac{\partial g}{\partial x} \cos \theta + \frac{\partial g}{\partial y} \sin \theta) = (\frac{\partial f}{\partial y} \cos \theta - \frac{\partial f}{\partial x} \sin \theta) = \frac{1}{r} (\frac{\partial f}{\partial y} r \cos \theta - \frac{\partial f}{\partial x} r \sin \theta) = \frac{1}{r} \frac{\partial F}{\partial \theta}
よって、rFr=Gθr \frac{\partial F}{\partial r} = \frac{\partial G}{\partial \theta}1rFθ=Gr\frac{1}{r} \frac{\partial F}{\partial \theta} = - \frac{\partial G}{\partial r} 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2Fr2\frac{\partial^2 F}{\partial r^2}, 2Fθ2\frac{\partial^2 F}{\partial \theta^2}を求めます。
それらを2Fr2+1r22Fθ2+1rFr\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}に代入して、(1)の結果を使うと、2Fr2+1r22Fθ2+1rFr=2fx2+2fy2=0\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} = 0 が得られます。

3. 最終的な答え

(1) 2fx2+2fy2=0\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = 0
(2) rFr=Gθ,1rFθ=Grr \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) 2Fr2+1r22Fθ2+1rFr=0\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} = 0

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