$u = \theta + \log r$, $x = r^2 \cos \theta$, $y = \sin (r\theta)$ が与えられたとき、以下の問題を解く。 (1) $(r, \theta) = (1, \frac{\pi}{4})$ における $\frac{\partial r}{\partial x}$, $\frac{\partial \theta}{\partial x}$, $\frac{\partial r}{\partial y}$, $\frac{\partial \theta}{\partial y}$ を求める。 (2) $(r, \theta) = (1, \frac{\pi}{4})$ における $\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y}$ を求める。

解析学偏微分ヤコビアン連鎖律
2025/7/12
以下に問題の解答を示します。

1. 問題の内容

u=θ+logru = \theta + \log r, x=r2cosθx = r^2 \cos \theta, y=sin(rθ)y = \sin (r\theta) が与えられたとき、以下の問題を解く。
(1) (r,θ)=(1,π4)(r, \theta) = (1, \frac{\pi}{4}) における rx\frac{\partial r}{\partial x}, θx\frac{\partial \theta}{\partial x}, ry\frac{\partial r}{\partial y}, θy\frac{\partial \theta}{\partial y} を求める。
(2) (r,θ)=(1,π4)(r, \theta) = (1, \frac{\pi}{4}) における ux+uy\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y} を求める。

2. 解き方の手順

(1)
まず、x=r2cosθx = r^2 \cos \thetay=sin(rθ)y = \sin (r\theta)rrθ\theta で偏微分する。
xr=2rcosθ\frac{\partial x}{\partial r} = 2r \cos \theta
xθ=r2sinθ\frac{\partial x}{\partial \theta} = -r^2 \sin \theta
yr=θcos(rθ)\frac{\partial y}{\partial r} = \theta \cos (r\theta)
yθ=rcos(rθ)\frac{\partial y}{\partial \theta} = r \cos (r\theta)
次に、逆関数の微分を用いて rx\frac{\partial r}{\partial x}, θx\frac{\partial \theta}{\partial x}, ry\frac{\partial r}{\partial y}, θy\frac{\partial \theta}{\partial y} を求める。
まず、ヤコビアン JJ を計算する。
J=(x,y)(r,θ)=xrxθyryθ=2rcosθr2sinθθcos(rθ)rcos(rθ)=2r2cosθcos(rθ)+r2θsinθcos(rθ)=r2(2cosθ+θsinθ)cos(rθ)J = \frac{\partial (x, y)}{\partial (r, \theta)} = \begin{vmatrix} \frac{\partial x}{\partial r} & \frac{\partial x}{\partial \theta} \\ \frac{\partial y}{\partial r} & \frac{\partial y}{\partial \theta} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 2r \cos \theta & -r^2 \sin \theta \\ \theta \cos (r\theta) & r \cos (r\theta) \end{vmatrix} = 2r^2 \cos \theta \cos (r\theta) + r^2 \theta \sin \theta \cos (r\theta) = r^2 (2 \cos \theta + \theta \sin \theta) \cos (r\theta)
(r,θ)=(1,π4)(r, \theta) = (1, \frac{\pi}{4}) のとき、x=22x = \frac{\sqrt{2}}{2}y=sinπ4=22y = \sin \frac{\pi}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2}である。また、
xr=2cosπ4=2\frac{\partial x}{\partial r} = 2 \cos \frac{\pi}{4} = \sqrt{2}
xθ=sinπ4=22\frac{\partial x}{\partial \theta} = - \sin \frac{\pi}{4} = -\frac{\sqrt{2}}{2}
yr=π4cosπ4=π422=π28\frac{\partial y}{\partial r} = \frac{\pi}{4} \cos \frac{\pi}{4} = \frac{\pi}{4} \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} = \frac{\pi \sqrt{2}}{8}
yθ=cosπ4=22\frac{\partial y}{\partial \theta} = \cos \frac{\pi}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2}
J=(2cosπ4+π4sinπ4)cosπ4=(222+π422)22=(1+π8)222=1+π8J = (2 \cos \frac{\pi}{4} + \frac{\pi}{4} \sin \frac{\pi}{4}) \cos \frac{\pi}{4} = (2 \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\pi}{4} \cdot \frac{\sqrt{2}}{2}) \frac{\sqrt{2}}{2} = (1 + \frac{\pi}{8}) \sqrt{2} \frac{\sqrt{2}}{2} = 1 + \frac{\pi}{8}
(r,θ)(x,y)=J1=11+π8\frac{\partial (r, \theta)}{\partial (x, y)} = J^{-1} = \frac{1}{1+\frac{\pi}{8}}
rx=1Jyθ=2/21+π/8=428+π\frac{\partial r}{\partial x} = \frac{1}{J} \frac{\partial y}{\partial \theta} = \frac{\sqrt{2}/2}{1 + \pi/8} = \frac{4\sqrt{2}}{8+\pi}
θx=1J(yr)=π2/81+π/8=π28+π\frac{\partial \theta}{\partial x} = \frac{1}{J} (-\frac{\partial y}{\partial r}) = \frac{-\pi \sqrt{2}/8}{1 + \pi/8} = \frac{-\pi \sqrt{2}}{8+\pi}
ry=1J(xθ)=2/21+π/8=428+π\frac{\partial r}{\partial y} = \frac{1}{J} (-\frac{\partial x}{\partial \theta}) = \frac{\sqrt{2}/2}{1 + \pi/8} = \frac{4\sqrt{2}}{8+\pi}
θy=1Jxr=21+π/8=828+π\frac{\partial \theta}{\partial y} = \frac{1}{J} \frac{\partial x}{\partial r} = \frac{\sqrt{2}}{1 + \pi/8} = \frac{8\sqrt{2}}{8+\pi}
(2)
ux=urrx+uθθx\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial u}{\partial r} \frac{\partial r}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial \theta} \frac{\partial \theta}{\partial x}
uy=urry+uθθy\frac{\partial u}{\partial y} = \frac{\partial u}{\partial r} \frac{\partial r}{\partial y} + \frac{\partial u}{\partial \theta} \frac{\partial \theta}{\partial y}
ur=1r\frac{\partial u}{\partial r} = \frac{1}{r}
uθ=1\frac{\partial u}{\partial \theta} = 1
ux=1rrx+θx=428+ππ28+π=(4π)28+π\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{1}{r} \frac{\partial r}{\partial x} + \frac{\partial \theta}{\partial x} = \frac{4\sqrt{2}}{8+\pi} - \frac{\pi \sqrt{2}}{8+\pi} = \frac{(4-\pi)\sqrt{2}}{8+\pi}
uy=1rry+θy=428+π+828+π=1228+π\frac{\partial u}{\partial y} = \frac{1}{r} \frac{\partial r}{\partial y} + \frac{\partial \theta}{\partial y} = \frac{4\sqrt{2}}{8+\pi} + \frac{8\sqrt{2}}{8+\pi} = \frac{12\sqrt{2}}{8+\pi}
ux+uy=(4π)28+π+1228+π=(16π)28+π\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y} = \frac{(4-\pi)\sqrt{2}}{8+\pi} + \frac{12\sqrt{2}}{8+\pi} = \frac{(16-\pi)\sqrt{2}}{8+\pi}

3. 最終的な答え

(1)
rx=428+π\frac{\partial r}{\partial x} = \frac{4\sqrt{2}}{8+\pi}
θx=π28+π\frac{\partial \theta}{\partial x} = \frac{-\pi \sqrt{2}}{8+\pi}
ry=428+π\frac{\partial r}{\partial y} = \frac{4\sqrt{2}}{8+\pi}
θy=828+π\frac{\partial \theta}{\partial y} = \frac{8\sqrt{2}}{8+\pi}
(2)
ux+uy=(16π)28+π\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y} = \frac{(16-\pi)\sqrt{2}}{8+\pi}

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