$z = f(x, y)$ であり、$x = u + v$、$y = uv$ であるとき、以下の偏微分を計算し、空欄を埋める問題です。 1. $z_u = z_x + \boxed{①} z_y$, $z_v = z_x + \boxed{②} z_y$

解析学偏微分連鎖律偏導関数
2025/7/11

1. 問題の内容

z=f(x,y)z = f(x, y) であり、x=u+vx = u + vy=uvy = uv であるとき、以下の偏微分を計算し、空欄を埋める問題です。

1. $z_u = z_x + \boxed{①} z_y$, $z_v = z_x + \boxed{②} z_y$

2. $z_{uu} - 2z_{uv} + z_{vv} = (x^2 - \boxed{③}y) z_{yy} - \boxed{④} z_y$

2. 解き方の手順

1. まず、$z_u$ と $z_v$ を計算します。

偏微分の連鎖律より、
zu=zu=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}
zv=zv=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}
ここで、x=u+vx = u + vy=uvy = uv より、
xu=1\frac{\partial x}{\partial u} = 1, yu=v\frac{\partial y}{\partial u} = v
xv=1\frac{\partial x}{\partial v} = 1, yv=u\frac{\partial y}{\partial v} = u
よって、
zu=zx(1)+zy(v)=zx+vzyz_u = z_x (1) + z_y (v) = z_x + v z_y
zv=zx(1)+zy(u)=zx+uzyz_v = z_x (1) + z_y (u) = z_x + u z_y
したがって、=v\boxed{①} = v=u\boxed{②} = u となります。

2. 次に、$z_{uu} - 2z_{uv} + z_{vv}$ を計算します。

まず、zu=zx+vzyz_u = z_x + v z_yzv=zx+uzyz_v = z_x + u z_y を用いて、zuu,zuv,zvvz_{uu}, z_{uv}, z_{vv} を計算します。
zuu=zuu=u(zx+vzy)=zxu+vzyuz_{uu} = \frac{\partial z_u}{\partial u} = \frac{\partial}{\partial u} (z_x + v z_y) = \frac{\partial z_x}{\partial u} + v \frac{\partial z_y}{\partial u}
zuv=zuv=v(zx+vzy)=zxv+v(vzy)=zxv+zy+vzyvz_{uv} = \frac{\partial z_u}{\partial v} = \frac{\partial}{\partial v} (z_x + v z_y) = \frac{\partial z_x}{\partial v} + \frac{\partial}{\partial v} (v z_y) = \frac{\partial z_x}{\partial v} + z_y + v \frac{\partial z_y}{\partial v}
zvv=zvv=v(zx+uzy)=zxv+uzyvz_{vv} = \frac{\partial z_v}{\partial v} = \frac{\partial}{\partial v} (z_x + u z_y) = \frac{\partial z_x}{\partial v} + u \frac{\partial z_y}{\partial v}
ここで、zxz_xzyz_y について、再び連鎖律を適用すると、
zxu=zxxxu+zxyyu=zxx(1)+zxy(v)\frac{\partial z_x}{\partial u} = \frac{\partial z_x}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial z_x}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial u} = z_{xx}(1) + z_{xy}(v)
zxv=zxxxv+zxyyv=zxx(1)+zxy(u)\frac{\partial z_x}{\partial v} = \frac{\partial z_x}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial z_x}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial v} = z_{xx}(1) + z_{xy}(u)
zyu=zyxxu+zyyyu=zyx(1)+zyy(v)\frac{\partial z_y}{\partial u} = \frac{\partial z_y}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial z_y}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial u} = z_{yx}(1) + z_{yy}(v)
zyv=zyxxv+zyyyv=zyx(1)+zyy(u)\frac{\partial z_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} = z_{yx}(1) + z_{yy}(u)
よって、
zuu=zxx+vzxy+v(zyx+vzyy)=zxx+2vzxy+v2zyyz_{uu} = z_{xx} + v z_{xy} + v (z_{yx} + v z_{yy}) = z_{xx} + 2v z_{xy} + v^2 z_{yy}
zuv=zxx+uzxy+zy+v(zyx+uzyy)=zxx+(u+v)zxy+zy+uvzyyz_{uv} = z_{xx} + u z_{xy} + z_y + v (z_{yx} + u z_{yy}) = z_{xx} + (u+v) z_{xy} + z_y + uv z_{yy}
zvv=zxx+uzxy+u(zyx+uzyy)=zxx+2uzxy+u2zyyz_{vv} = z_{xx} + u z_{xy} + u (z_{yx} + u z_{yy}) = z_{xx} + 2u z_{xy} + u^2 z_{yy}
zuu2zuv+zvv=(zxx+2vzxy+v2zyy)2(zxx+(u+v)zxy+zy+uvzyy)+(zxx+2uzxy+u2zyy)z_{uu} - 2z_{uv} + z_{vv} = (z_{xx} + 2v z_{xy} + v^2 z_{yy}) - 2(z_{xx} + (u+v) z_{xy} + z_y + uv z_{yy}) + (z_{xx} + 2u z_{xy} + u^2 z_{yy})
=zxx(12+1)+zxy(2v2u2v+2u)+zyy(v22uv+u2)2zy= z_{xx} (1 - 2 + 1) + z_{xy}(2v - 2u - 2v + 2u) + z_{yy} (v^2 - 2uv + u^2) - 2z_y
=(uv)2zyy2zy=(x24y)zyy2zy= (u-v)^2 z_{yy} - 2 z_y = (x^2 - 4y) z_{yy} - 2 z_y
したがって、=4\boxed{③} = 4=2\boxed{④} = 2 となります。

3. 最終的な答え

①: 4
②: 2

1. $z_u = z_x + v z_y$, $z_v = z_x + u z_y$

2. $z_{uu} - 2z_{uv} + z_{vv} = (x^2 - 4y) z_{yy} - 2 z_y$

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