(1) 陰関数 $yz + zx + xy = 1$ について、$(x, y) = (3, 1)$ での $\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}$ および $\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}$ を求める。 (2) 陰関数 $z^x = y^z$ について、$(x, y) = (5, 1)$ での $\frac{\partial^2 z}{\partial y^2}$ および $\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}$ を求める。

解析学偏微分陰関数二階偏導関数
2025/7/12

1. 問題の内容

(1) 陰関数 yz+zx+xy=1yz + zx + xy = 1 について、(x,y)=(3,1)(x, y) = (3, 1) での 2zx2\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} および 2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} を求める。
(2) 陰関数 zx=yzz^x = y^z について、(x,y)=(5,1)(x, y) = (5, 1) での 2zy2\frac{\partial^2 z}{\partial y^2} および 2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} を求める。

2. 解き方の手順

(1) yz+zx+xy=1yz + zx + xy = 1
まず、zzxx および yy で偏微分する。
yzx+z+xzx+y=0y \frac{\partial z}{\partial x} + z + x \frac{\partial z}{\partial x} + y = 0
zx=z+yx+y\frac{\partial z}{\partial x} = - \frac{z + y}{x + y}
yzy+z+xzy+x=0y \frac{\partial z}{\partial y} + z + x \frac{\partial z}{\partial y} + x = 0
zy=z+xx+y\frac{\partial z}{\partial y} = - \frac{z + x}{x + y}
(x,y)=(3,1)(x, y) = (3, 1) のとき、 z+3z+3=1z + 3z + 3 = 1 より 4z=24z = -2 なので、z=12z = - \frac{1}{2}
zx(3,1)=1/2+13+1=1/24=18\frac{\partial z}{\partial x} |_{(3,1)} = - \frac{-1/2 + 1}{3 + 1} = - \frac{1/2}{4} = - \frac{1}{8}
zy(3,1)=1/2+33+1=5/24=58\frac{\partial z}{\partial y} |_{(3,1)} = - \frac{-1/2 + 3}{3 + 1} = - \frac{5/2}{4} = - \frac{5}{8}
次に、2zx2\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} を求める。
2zx2=x(z+yx+y)=zx(x+y)(z+y)(x+y)2=zx(x+y)(z+y)(x+y)2\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x} (-\frac{z + y}{x + y}) = - \frac{\frac{\partial z}{\partial x}(x+y) - (z+y)}{(x+y)^2} = - \frac{\frac{\partial z}{\partial x}(x+y) - (z+y)}{(x+y)^2}
2zx2(3,1)=(1/8)(3+1)(1/2+1)(3+1)2=1/21/216=116\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} |_{(3,1)} = - \frac{(-1/8)(3+1) - (-1/2+1)}{(3+1)^2} = - \frac{-1/2 - 1/2}{16} = \frac{1}{16}
2zxy=y(z+yx+y)=(zy+1)(x+y)(z+y)(x+y)2\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial y} (-\frac{z + y}{x + y}) = - \frac{(\frac{\partial z}{\partial y} + 1)(x+y) - (z+y)}{(x+y)^2}
2zxy(3,1)=(5/8+1)(3+1)(1/2+1)(3+1)2=(3/8)(4)1/216=3/21/216=116\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} |_{(3,1)} = - \frac{(-5/8 + 1)(3+1) - (-1/2+1)}{(3+1)^2} = - \frac{(3/8)(4) - 1/2}{16} = - \frac{3/2 - 1/2}{16} = - \frac{1}{16}
(2) zx=yzz^x = y^z
両辺の対数をとると、 xlnz=zlnyx \ln z = z \ln y
zzxx および yy で偏微分する。
lnz+x1zzx=zxlny\ln z + x \frac{1}{z} \frac{\partial z}{\partial x} = \frac{\partial z}{\partial x} \ln y
zx(xzlny)=lnz\frac{\partial z}{\partial x} (\frac{x}{z} - \ln y) = - \ln z
zx=lnzxzlny=zlnzzlnyx\frac{\partial z}{\partial x} = - \frac{\ln z}{\frac{x}{z} - \ln y} = \frac{z \ln z}{z \ln y - x}
x1zzy=zylny+z1yx \frac{1}{z} \frac{\partial z}{\partial y} = \frac{\partial z}{\partial y} \ln y + z \frac{1}{y}
zy(xzlny)=zy\frac{\partial z}{\partial y} (\frac{x}{z} - \ln y) = \frac{z}{y}
zy=z2y(xzlny)\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{z^2}{y(x - z \ln y)}
(x,y)=(5,1)(x, y) = (5, 1) のとき、z5=1z=1z^5 = 1^z = 1 より z=1z = 1
zx(5,1)=1ln11ln15=05=0\frac{\partial z}{\partial x} |_{(5,1)} = \frac{1 \ln 1}{1 \ln 1 - 5} = \frac{0}{-5} = 0
zy(5,1)=121(51ln1)=15\frac{\partial z}{\partial y} |_{(5,1)} = \frac{1^2}{1(5 - 1 \ln 1)} = \frac{1}{5}
次に、2zy2\frac{\partial^2 z}{\partial y^2}2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} を求める。
2zy2=y(z2y(xzlny))=2zzyy(xzlny)z2(xzlny+y(zylnyzy))y2(xzlny)2\frac{\partial^2 z}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y} (\frac{z^2}{y(x - z \ln y)}) = \frac{2z \frac{\partial z}{\partial y} y(x-z\ln y) - z^2 (x - z \ln y + y (-\frac{\partial z}{\partial y} \ln y - \frac{z}{y} ))}{y^2 (x - z \ln y)^2}
2zy2(5,1)=2(1)(1/5)(1)(50)1(50+1(01))12(50)2=2425=225\frac{\partial^2 z}{\partial y^2} |_{(5,1)} = \frac{2(1)(1/5)(1)(5 - 0) - 1 (5 - 0 + 1(0 - 1))}{1^2 (5 - 0)^2} = \frac{2 - 4}{25} = - \frac{2}{25}
2zxy=x(z2y(xzlny))=2zzxy(xzlny)z2(y(1zxlny))y2(xzlny)2\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial x} (\frac{z^2}{y(x - z \ln y)}) = \frac{2z \frac{\partial z}{\partial x} y(x - z \ln y) - z^2 (y(1 - \frac{\partial z}{\partial x} \ln y))}{y^2 (x - z \ln y)^2}
2zxy(5,1)=2(1)(0)(1)(50)1(1(10))12(50)2=125\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} |_{(5,1)} = \frac{2(1)(0)(1)(5 - 0) - 1 (1(1 - 0))}{1^2 (5 - 0)^2} = - \frac{1}{25}

3. 最終的な答え

(1) 2zx2=116\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{1}{16}
2zxy=116\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = -\frac{1}{16}
(2) 2zy2=225\frac{\partial^2 z}{\partial y^2} = -\frac{2}{25}
2zxy=125\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = -\frac{1}{25}

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