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

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) 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}2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} を求めます。
(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}2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} を求めます。

2. 解き方の手順

(1) yz+zx+xy=1yz + zx + xy = 1 の場合
まず、zzxxyy の関数として、与えられた式を xx で偏微分します。
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}
次に、x=3,y=1x=3, y=1 を代入すると、 z+3z+3=1z + 3z + 3 = 1 より 4z=24z = -2 となり z=12z = -\frac{1}{2}
従って、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}
zx=z+yx+y\frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{z+y}{x+y} をさらに xx で偏微分します。
2zx2=(zx)(x+y)(z+y)(1)(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)(1)}{(x+y)^2} = -\frac{\frac{\partial z}{\partial x}(x+y) - (z+y)}{(x+y)^2}
ここにx=3,y=1,z=12,zx=18x=3, y=1, z=-\frac{1}{2}, \frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{1}{8}を代入すると
2zx2=18(3+1)(12+1)(3+1)2=18(4)(12)16=121216=116=116\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = -\frac{-\frac{1}{8}(3+1) - (-\frac{1}{2}+1)}{(3+1)^2} = -\frac{-\frac{1}{8}(4) - (\frac{1}{2})}{16} = -\frac{-\frac{1}{2}-\frac{1}{2}}{16} = -\frac{-1}{16} = \frac{1}{16}
次に、zx=z+yx+y\frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{z+y}{x+y}yy で偏微分します。
2zxy=(zy+1)(x+y)(z+y)(1)(x+y)2=(zy+1)(x+y)(z+y)(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} = -\frac{(\frac{\partial z}{\partial y}+1)(x+y) - (z+y)}{(x+y)^2}
yzy+z+xzy+x=0y \frac{\partial z}{\partial y} + z + x \frac{\partial z}{\partial y} + x = 0 より、
zy=z+xx+y\frac{\partial z}{\partial y} = -\frac{z+x}{x+y}
x=3,y=1,z=12x=3, y=1, z = -\frac{1}{2} を代入すると、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}
2zxy=(58+1)(3+1)(12+1)(3+1)2=(38)(4)(12)16=321216=116\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = -\frac{(-\frac{5}{8}+1)(3+1) - (-\frac{1}{2}+1)}{(3+1)^2} = -\frac{(\frac{3}{8})(4) - (\frac{1}{2})}{16} = -\frac{\frac{3}{2} - \frac{1}{2}}{16} = -\frac{1}{16}
(2) zx=yzz^x = y^z の場合
両辺の自然対数を取ると、
xlnz=zlnyx \ln z = z \ln y
これをyyで偏微分すると
xzzy=zy+lnyzy\frac{x}{z} \frac{\partial z}{\partial y} = \frac{z}{y} + \ln y \frac{\partial z}{\partial y}
zy(xzlny)=zy\frac{\partial z}{\partial y} (\frac{x}{z} - \ln y) = \frac{z}{y}
zy=z/yx/zlny=z2y(xzlny)\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{z/y}{x/z - \ln y} = \frac{z^2}{y(x-z \ln y)}
x=5,y=1x=5, y=1を代入すると、z5=1z=1z^5 = 1^z = 1よりz=1z=1
zy=121(51ln1)=15\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{1^2}{1(5 - 1 \ln 1)} = \frac{1}{5}
zy=z2y(xzlny)\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{z^2}{y(x-z \ln y)}yyで偏微分すると
2zy2=2zzyy(xzlny)z2[(xzlny)+y(zylnyzy)]y2(xzlny)2\frac{\partial^2 z}{\partial y^2} = \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}
x=5,y=1,z=1,zy=15x=5, y=1, z=1, \frac{\partial z}{\partial y} = \frac{1}{5}を代入すると
2zy2=2151(510)12[(50)+1(15011)]12(50)2=2/55(51)25=2425=225\frac{\partial^2 z}{\partial y^2} = \frac{2 \cdot \frac{1}{5} \cdot 1 \cdot (5 - 1 \cdot 0) - 1^2 [(5-0) + 1(-\frac{1}{5} \cdot 0 - \frac{1}{1})]}{1^2 (5-0)^2} = \frac{2/5 \cdot 5 - (5-1)}{25} = \frac{2-4}{25} = -\frac{2}{25}
xlnz=zlnyx \ln z = z \ln yxxで偏微分すると
lnz+xzzx=lnyzx\ln z + \frac{x}{z} \frac{\partial z}{\partial x} = \ln y \frac{\partial z}{\partial x}
zx(xzlny)=lnz\frac{\partial z}{\partial x} (\frac{x}{z} - \ln y) = - \ln z
zx=lnzxzlny=zlnzxzlny\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{-\ln z}{\frac{x}{z} - \ln y} = \frac{-z \ln z}{x-z \ln y}
x=5,y=1,z=1x=5, y=1, z=1を代入すると
zx=1ln151ln1=05=0\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{-1 \ln 1}{5-1 \ln 1} = \frac{0}{5} = 0
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}
x=5,y=1,z=1,zy=15x=5, y=1, z=1, \frac{\partial z}{\partial y} = \frac{1}{5}を代入すると
2zxy=(15ln1+11115)(51ln1)(1ln1)(15ln111)(51ln1)2=(15)(5)025=125\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{-(\frac{1}{5} \ln 1 + 1 \cdot \frac{1}{1} \cdot \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=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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