次の4つの問題に答えます。 (1) $f(x, y) = \sin y + e^x - xy^2 = 0$ から $\frac{dy}{dx}$ を求めます。 (2) $f(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 - 4z = 0$ から $\frac{\partial z}{\partial x}$, $\frac{\partial z}{\partial y}$, $\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}$, $\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}$ を求めます。 (3) $xu - yv = 0$, $yu + xv = 1$ から $\frac{\partial u}{\partial x}$, $\frac{\partial v}{\partial x}$ を求めます。 (4) $x = e^u \cos v$, $y = e^u \sin v$, $z = uv$ から $\frac{\partial z}{\partial x}$, $\frac{\partial z}{\partial y}$ を求めます。

解析学偏微分陰関数の微分多変数関数合成関数
2025/7/11

1. 問題の内容

次の4つの問題に答えます。
(1) f(x,y)=siny+exxy2=0f(x, y) = \sin y + e^x - xy^2 = 0 から dydx\frac{dy}{dx} を求めます。
(2) f(x,y,z)=x2+y2+z24z=0f(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 - 4z = 0 から zx\frac{\partial z}{\partial x}, zy\frac{\partial z}{\partial y}, 2zx2\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}, 2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} を求めます。
(3) xuyv=0xu - yv = 0, yu+xv=1yu + xv = 1 から ux\frac{\partial u}{\partial x}, vx\frac{\partial v}{\partial x} を求めます。
(4) x=eucosvx = e^u \cos v, y=eusinvy = e^u \sin v, z=uvz = uv から zx\frac{\partial z}{\partial x}, zy\frac{\partial z}{\partial y} を求めます。

2. 解き方の手順

(1) 陰関数の微分法を使います。f(x,y)=0f(x, y) = 0 より、
fx+fydydx=0\frac{\partial f}{\partial x} + \frac{\partial f}{\partial y} \frac{dy}{dx} = 0
したがって、
dydx=fxfy\frac{dy}{dx} = - \frac{\frac{\partial f}{\partial x}}{\frac{\partial f}{\partial y}}
f(x,y)=siny+exxy2=0f(x, y) = \sin y + e^x - xy^2 = 0 より、
fx=exy2\frac{\partial f}{\partial x} = e^x - y^2
fy=cosy2xy\frac{\partial f}{\partial y} = \cos y - 2xy
dydx=exy2cosy2xy=y2excosy2xy\frac{dy}{dx} = - \frac{e^x - y^2}{\cos y - 2xy} = \frac{y^2 - e^x}{\cos y - 2xy}
(2) 陰関数の微分法を使います。f(x,y,z)=0f(x, y, z) = 0 より、
zx=fxfz\frac{\partial z}{\partial x} = - \frac{\frac{\partial f}{\partial x}}{\frac{\partial f}{\partial z}}
zy=fyfz\frac{\partial z}{\partial y} = - \frac{\frac{\partial f}{\partial y}}{\frac{\partial f}{\partial z}}
f(x,y,z)=x2+y2+z24z=0f(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 - 4z = 0 より、
fx=2x\frac{\partial f}{\partial x} = 2x
fy=2y\frac{\partial f}{\partial y} = 2y
fz=2z4\frac{\partial f}{\partial z} = 2z - 4
zx=2x2z4=x2z\frac{\partial z}{\partial x} = - \frac{2x}{2z - 4} = \frac{x}{2 - z}
zy=2y2z4=y2z\frac{\partial z}{\partial y} = - \frac{2y}{2z - 4} = \frac{y}{2 - z}
2zx2=x(zx)=x(x2z)=1(2z)x(zx)(2z)2=2z+xx2z(2z)2=2(2z)+x2(2z)3\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x} (\frac{\partial z}{\partial x}) = \frac{\partial}{\partial x} (\frac{x}{2 - z}) = \frac{1 \cdot (2-z) - x \cdot (-\frac{\partial z}{\partial x})}{(2-z)^2} = \frac{2-z + x \frac{x}{2-z}}{(2-z)^2} = \frac{2(2-z) + x^2}{(2-z)^3}
2zxy=x(zy)=x(y2z)=0(2z)y(zx)(2z)2=yx2z(2z)2=xy(2z)3\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial x} (\frac{\partial z}{\partial y}) = \frac{\partial}{\partial x} (\frac{y}{2 - z}) = \frac{0 \cdot (2-z) - y \cdot (-\frac{\partial z}{\partial x})}{(2-z)^2} = \frac{y \frac{x}{2-z}}{(2-z)^2} = \frac{xy}{(2-z)^3}
(3) 与えられた方程式を xx で偏微分します。
xuyv=0xu - yv = 0 より、u+xuxyvx=0u + x \frac{\partial u}{\partial x} - y \frac{\partial v}{\partial x} = 0
yu+xv=1yu + xv = 1 より、yux+v+xvx=0y \frac{\partial u}{\partial x} + v + x \frac{\partial v}{\partial x} = 0
{xuxyvx=uyux+xvx=v\begin{cases} x \frac{\partial u}{\partial x} - y \frac{\partial v}{\partial x} = -u \\ y \frac{\partial u}{\partial x} + x \frac{\partial v}{\partial x} = -v \end{cases}
ux=ux+vyx2+y2\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{-ux + vy}{x^2 + y^2}
vx=uyvxx2+y2\frac{\partial v}{\partial x} = \frac{-uy - vx}{x^2 + y^2}
(4)
x=eucosvx = e^u \cos v, y=eusinvy = e^u \sin v, z=uvz = uv から zx\frac{\partial z}{\partial x}, zy\frac{\partial z}{\partial y} を求めます。
z=z(u(x,y),v(x,y))z = z(u(x,y), v(x,y))
zx=zuux+zvvx=vux+uvx\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{\partial z}{\partial u} \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial z}{\partial v} \frac{\partial v}{\partial x} = v\frac{\partial u}{\partial x} + u \frac{\partial v}{\partial x}
zy=zuuy+zvvy=vuy+uvy\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{\partial z}{\partial u} \frac{\partial u}{\partial y} + \frac{\partial z}{\partial v} \frac{\partial v}{\partial y} = v\frac{\partial u}{\partial y} + u \frac{\partial v}{\partial y}
x2+y2=e2ucos2v+e2usin2v=e2ux^2 + y^2 = e^{2u} \cos^2 v + e^{2u} \sin^2 v = e^{2u}
u=12ln(x2+y2)u = \frac{1}{2} \ln (x^2 + y^2)
ux=122xx2+y2=xx2+y2\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{1}{2} \frac{2x}{x^2 + y^2} = \frac{x}{x^2 + y^2}
uy=122yx2+y2=yx2+y2\frac{\partial u}{\partial y} = \frac{1}{2} \frac{2y}{x^2 + y^2} = \frac{y}{x^2 + y^2}
yx=eusinveucosv=tanv\frac{y}{x} = \frac{e^u \sin v}{e^u \cos v} = \tan v
v=arctan(yx)v = \arctan (\frac{y}{x})
vx=11+(yx)2(yx2)=x2x2+y2(yx2)=yx2+y2\frac{\partial v}{\partial x} = \frac{1}{1 + (\frac{y}{x})^2} \cdot (-\frac{y}{x^2}) = \frac{x^2}{x^2 + y^2} (-\frac{y}{x^2}) = -\frac{y}{x^2 + y^2}
vy=11+(yx)2(1x)=x2x2+y2(1x)=xx2+y2\frac{\partial v}{\partial y} = \frac{1}{1 + (\frac{y}{x})^2} \cdot (\frac{1}{x}) = \frac{x^2}{x^2 + y^2} (\frac{1}{x}) = \frac{x}{x^2 + y^2}
zx=vxx2+y2+u(yx2+y2)=vxuyx2+y2\frac{\partial z}{\partial x} = v \frac{x}{x^2 + y^2} + u (-\frac{y}{x^2 + y^2}) = \frac{vx - uy}{x^2 + y^2}
zy=vyx2+y2+uxx2+y2=vy+uxx2+y2\frac{\partial z}{\partial y} = v \frac{y}{x^2 + y^2} + u \frac{x}{x^2 + y^2} = \frac{vy + ux}{x^2 + y^2}

3. 最終的な答え

(1) dydx=y2excosy2xy\frac{dy}{dx} = \frac{y^2 - e^x}{\cos y - 2xy}
(2) zx=x2z\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{x}{2 - z}, zy=y2z\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{y}{2 - z}, 2zx2=2(2z)+x2(2z)3\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{2(2-z)+x^2}{(2-z)^3}, 2zxy=xy(2z)3\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{xy}{(2-z)^3}
(3) ux=ux+vyx2+y2\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{-ux + vy}{x^2 + y^2}, vx=uyvxx2+y2\frac{\partial v}{\partial x} = \frac{-uy - vx}{x^2 + y^2}
(4) zx=vxuyx2+y2\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{vx - uy}{x^2 + y^2}, zy=vy+uxx2+y2\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{vy + ux}{x^2 + y^2}

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