(1) $yz + zx + xy = 1$ で定まる陰関数 $z = z(x, y)$ について、$(x, y) = (3, 1)$ での $\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}$ と $\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}$ を求めなさい。 (2) $z^x = y^z$ で定まる陰関数 $z = z(x, y)$ について、$(x, y) = (5, 1)$ での $\frac{\partial^2 z}{\partial y^2}$ と $\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}$ を求めなさい。

解析学陰関数偏微分二階偏導関数
2025/7/12

1. 問題の内容

(1) yz+zx+xy=1yz + zx + xy = 1 で定まる陰関数 z=z(x,y)z = z(x, y) について、(x,y)=(3,1)(x, y) = (3, 1) での 2zx2\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} を求めなさい。
(2) zx=yzz^x = y^z で定まる陰関数 z=z(x,y)z = z(x, y) について、(x,y)=(5,1)(x, y) = (5, 1) での 2zy2\frac{\partial^2 z}{\partial y^2}2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} を求めなさい。

2. 解き方の手順

(1) yz+zx+xy=1yz + zx + xy = 1xx で偏微分すると、
yzx+z+xzx+y=0y\frac{\partial z}{\partial x} + z + x\frac{\partial z}{\partial x} + y = 0
zx(y+x)=(z+y)\frac{\partial z}{\partial x}(y+x) = -(z+y)
zx=z+yx+y\frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{z+y}{x+y}
yz+zx+xy=1yz + zx + xy = 1yy で偏微分すると、
z+yzy+xzy+x=0z + y\frac{\partial z}{\partial y} + x\frac{\partial z}{\partial y} + x = 0
zy(y+x)=(z+x)\frac{\partial z}{\partial y}(y+x) = -(z+x)
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 = -2z=12z = -\frac{1}{2}
zx(3,1)=12+13+1=124=18\frac{\partial z}{\partial x}(3, 1) = -\frac{-\frac{1}{2} + 1}{3+1} = -\frac{\frac{1}{2}}{4} = -\frac{1}{8}
zy(3,1)=12+33+1=524=58\frac{\partial z}{\partial y}(3, 1) = -\frac{-\frac{1}{2} + 3}{3+1} = -\frac{\frac{5}{2}}{4} = -\frac{5}{8}
zx=z+yx+y\frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{z+y}{x+y}xx で偏微分すると、
2zx2=zx(x+y)(z+y)(x+y)2=zx(x+y)(z+y)(x+y)2\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = -\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}
=z+yx+y(x+y)(z+y)(x+y)2=(z+y)(z+y)(x+y)2=2(z+y)(x+y)2= -\frac{-\frac{z+y}{x+y}(x+y) - (z+y)}{(x+y)^2} = -\frac{-(z+y) - (z+y)}{(x+y)^2} = \frac{2(z+y)}{(x+y)^2}
2zx2(3,1)=2(12+1)(3+1)2=2(12)16=116\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}(3, 1) = \frac{2(-\frac{1}{2} + 1)}{(3+1)^2} = \frac{2(\frac{1}{2})}{16} = \frac{1}{16}
zx=z+yx+y\frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{z+y}{x+y}yy で偏微分すると、
2zxy=(zy+1)(x+y)(z+y)(1)(x+y)2\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = -\frac{(\frac{\partial z}{\partial y}+1)(x+y) - (z+y)(1)}{(x+y)^2}
=(z+xx+y+1)(x+y)(z+y)(x+y)2=(z+x)+x+yzy(x+y)2=2z(x+y)2= -\frac{(-\frac{z+x}{x+y}+1)(x+y) - (z+y)}{(x+y)^2} = -\frac{-(z+x)+x+y-z-y}{(x+y)^2} = \frac{2z}{(x+y)^2}
2zxy(3,1)=2(12)(3+1)2=116=116\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}(3, 1) = \frac{2(-\frac{1}{2})}{(3+1)^2} = \frac{-1}{16} = -\frac{1}{16}
(2) zx=yzz^x = y^z の両辺の自然対数をとると、
xlnz=zlnyx\ln z = z\ln y
xlnz=zlnyx\ln z = z\ln yyy で偏微分すると、
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=z/yxzlny=z2xyzlny\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{z/y}{\frac{x}{z} - \ln y} = \frac{z^2}{xy - z\ln y}
xlnz=zlnyx\ln z = z\ln yxx で偏微分すると、
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=zlnzxzlny\frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{z\ln z}{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
zy(5,1)=125(1)1ln1=150=15\frac{\partial z}{\partial y}(5, 1) = \frac{1^2}{5(1) - 1 \ln 1} = \frac{1}{5 - 0} = \frac{1}{5}
zx(5,1)=1ln151ln1=050=0\frac{\partial z}{\partial x}(5, 1) = -\frac{1 \ln 1}{5 - 1\ln 1} = -\frac{0}{5 - 0} = 0
zy=z2xyzlny\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{z^2}{xy - z\ln y}yy で偏微分すると、
2zy2=2zzy(xyzlny)z2(xzylnyzy)(xyzlny)2\frac{\partial^2 z}{\partial y^2} = \frac{2z\frac{\partial z}{\partial y}(xy - z\ln y) - z^2 (x - \frac{\partial z}{\partial y}\ln y - \frac{z}{y})}{(xy - z\ln y)^2}
=2zzy(xyzlny)z2(xzylnyzy)(xyzlny)2= \frac{2z\frac{\partial z}{\partial y}(xy - z\ln y) - z^2 (x - \frac{\partial z}{\partial y}\ln y - \frac{z}{y})}{(xy - z\ln y)^2}
=2(1)(15)(5(1)1ln1)(1)2(515ln111)(5(1)1ln1)2=25(5)(501)25=2425=225= \frac{2(1)(\frac{1}{5})(5(1) - 1\ln 1) - (1)^2(5 - \frac{1}{5}\ln 1 - \frac{1}{1})}{(5(1) - 1\ln 1)^2} = \frac{\frac{2}{5}(5) - (5 - 0 - 1)}{25} = \frac{2 - 4}{25} = -\frac{2}{25}
zx=zlnzxzlny\frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{z\ln z}{x - z\ln y}yy で偏微分すると、
2zxy=(zylnz+z1zzy)(xzlny)zlnz(zylnyzy)(xzlny)2\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = -\frac{(\frac{\partial z}{\partial y}\ln z + z\frac{1}{z}\frac{\partial z}{\partial y})(x-z\ln y) - z\ln z(-\frac{\partial z}{\partial y}\ln y - \frac{z}{y})}{(x-z\ln y)^2}
=(zylnz+zy)(xzlny)zlnz(zylnyzy)(xzlny)2= -\frac{(\frac{\partial z}{\partial y}\ln z + \frac{\partial z}{\partial y})(x-z\ln y) - z\ln z(-\frac{\partial z}{\partial y}\ln y - \frac{z}{y})}{(x-z\ln y)^2}
=(15ln1+15)(51ln1)1ln1(15ln111)(51ln1)2=(15)(5)025=125= -\frac{(\frac{1}{5}\ln 1 + \frac{1}{5})(5 - 1\ln 1) - 1\ln 1(-\frac{1}{5}\ln 1 - \frac{1}{1})}{(5 - 1\ln 1)^2} = -\frac{(\frac{1}{5})(5) - 0}{25} = -\frac{1}{25}

3. 最終的な答え

(1) 2zx2(3,1)=116\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}(3, 1) = \frac{1}{16}, 2zxy(3,1)=116\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}(3, 1) = -\frac{1}{16}
(2) 2zy2(5,1)=225\frac{\partial^2 z}{\partial y^2}(5, 1) = -\frac{2}{25}, 2zxy(5,1)=125\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}(5, 1) = -\frac{1}{25}

「解析学」の関連問題

すると、$f(x) = e^x - A$ となります。

積分方程式関数積分
2025/7/12

以下の10個の不定積分を求める問題です。 (1) $\int x \sin 3x \, dx$ (2) $\int \arctan x \, dx$ (3) $\int x \log x \, dx$...

不定積分部分積分三角関数置換部分分数分解積分
2025/7/12

与えられた積分方程式を満たす関数 $f(x)$ を求めます。問題は二つあります。 (1) $f(x) = e^x - \int_0^1 f(t) dt$ (2) $f(x) = x + \int_0^...

積分方程式関数
2025/7/12

与えられた定積分 $\int_{0}^{2} ae^{t} dt$ を計算する問題です。ただし、$a$は定数です。

定積分指数関数積分
2025/7/12

与えられた関数 $f(x) = \log_e{\frac{x}{\sqrt{e}}} \log_e{\frac{x^2}{e^4}}$ について、以下の問いに答える問題です。 (1) $f'(x)$ ...

微分対数関数導関数変曲点最大最小
2025/7/12

関数 $f(x) = \log_{\sqrt{e}} x \cdot \log_{e^4} x^2$ について、以下の問いに答える問題です。 (1) $f'(x)$ と $f''(x)$ を求める。 ...

対数関数微分導関数二階導関数最小値変曲点
2025/7/12

与えられた積分 $\int \frac{x}{1+x^2} dx$ を計算します。

積分置換積分不定積分対数関数
2025/7/12

$1 < t < e$ を満たす実数 $t$ について、xy平面上の4点 $(1,0)$, $(e,0)$, $(e,1)$, $(t, \log t)$ を頂点とする四角形の面積 $S$ を求める問...

積分対数関数面積不等式台形
2025/7/12

与えられた積分方程式を満たす関数 $f(x)$ を求める問題です。具体的には以下の2つの問題があります。 (1) $f(x) = e^x - \int_0^1 f(t) dt$ (2) $f(x) =...

積分方程式関数積分定積分部分積分
2025/7/12

$1 < t < e$ を満たす実数 $t$ について、xy平面上の4点(1, 0), (e, 0), (e, 1), (t, logt) を頂点とする四角形の面積Sを求め、さらに $1 < t < ...

面積積分対数関数単調性
2025/7/12