関数 $z$ が与えられたとき、以下の2階の偏導関数を求める問題です。 * $z_{xx} = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2}$ * $z_{yy} = \frac{\partial^2 z}{\partial y^2}$ * $z_{xy} = \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}$ * $z_{yx} = \frac{\partial^2 z}{\partial y \partial x}$

解析学偏微分偏導関数多変数関数
2025/7/13
はい、承知いたしました。問題3の関数 z の 2 階の偏導関数を求める問題ですね。
今回は(1) z=ax2bxy+cy2z = ax^2 - bxy + cy^2、(2) z=1x1yz = \frac{1}{x} - \frac{1}{y}、(3) z=sin(ax+by)z = \sin(ax + by)の3つの問題について解答します。

1. 問題の内容

関数 zz が与えられたとき、以下の2階の偏導関数を求める問題です。
* zxx=2zx2z_{xx} = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2}
* zyy=2zy2z_{yy} = \frac{\partial^2 z}{\partial y^2}
* zxy=2zxyz_{xy} = \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}
* zyx=2zyxz_{yx} = \frac{\partial^2 z}{\partial y \partial x}

2. 解き方の手順

**3.(1) z=ax2bxy+cy2z = ax^2 - bxy + cy^2**
* zx=zx=2axbyz_x = \frac{\partial z}{\partial x} = 2ax - by
* zy=zy=bx+2cyz_y = \frac{\partial z}{\partial y} = -bx + 2cy
次に、2階偏導関数を計算します。
* zxx=2zx2=x(2axby)=2az_{xx} = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x}(2ax - by) = 2a
* zyy=2zy2=y(bx+2cy)=2cz_{yy} = \frac{\partial^2 z}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y}(-bx + 2cy) = 2c
* zxy=2zxy=x(bx+2cy)=bz_{xy} = \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial x}(-bx + 2cy) = -b
* zyx=2zyx=y(2axby)=bz_{yx} = \frac{\partial^2 z}{\partial y \partial x} = \frac{\partial}{\partial y}(2ax - by) = -b
**3.(2) z=1x1yz = \frac{1}{x} - \frac{1}{y}**
* zx=zx=1x2z_x = \frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{1}{x^2}
* zy=zy=1y2z_y = \frac{\partial z}{\partial y} = \frac{1}{y^2}
次に、2階偏導関数を計算します。
* zxx=2zx2=x(1x2)=2x3z_{xx} = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x}(-\frac{1}{x^2}) = \frac{2}{x^3}
* zyy=2zy2=y(1y2)=2y3z_{yy} = \frac{\partial^2 z}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y}(\frac{1}{y^2}) = -\frac{2}{y^3}
* zxy=2zxy=x(1y2)=0z_{xy} = \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial x}(\frac{1}{y^2}) = 0
* zyx=2zyx=y(1x2)=0z_{yx} = \frac{\partial^2 z}{\partial y \partial x} = \frac{\partial}{\partial y}(-\frac{1}{x^2}) = 0
**3.(3) z=sin(ax+by)z = \sin(ax + by)**
* zx=zx=acos(ax+by)z_x = \frac{\partial z}{\partial x} = a\cos(ax + by)
* zy=zy=bcos(ax+by)z_y = \frac{\partial z}{\partial y} = b\cos(ax + by)
次に、2階偏導関数を計算します。
* zxx=2zx2=x(acos(ax+by))=a2sin(ax+by)z_{xx} = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x}(a\cos(ax + by)) = -a^2\sin(ax + by)
* zyy=2zy2=y(bcos(ax+by))=b2sin(ax+by)z_{yy} = \frac{\partial^2 z}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y}(b\cos(ax + by)) = -b^2\sin(ax + by)
* zxy=2zxy=x(bcos(ax+by))=absin(ax+by)z_{xy} = \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial x}(b\cos(ax + by)) = -ab\sin(ax + by)
* zyx=2zyx=y(acos(ax+by))=absin(ax+by)z_{yx} = \frac{\partial^2 z}{\partial y \partial x} = \frac{\partial}{\partial y}(a\cos(ax + by)) = -ab\sin(ax + by)

3. 最終的な答え

**3.(1)**
* zxx=2az_{xx} = 2a
* zyy=2cz_{yy} = 2c
* zxy=bz_{xy} = -b
* zyx=bz_{yx} = -b
**3.(2)**
* zxx=2x3z_{xx} = \frac{2}{x^3}
* zyy=2y3z_{yy} = -\frac{2}{y^3}
* zxy=0z_{xy} = 0
* zyx=0z_{yx} = 0
**3.(3)**
* zxx=a2sin(ax+by)z_{xx} = -a^2\sin(ax + by)
* zyy=b2sin(ax+by)z_{yy} = -b^2\sin(ax + by)
* zxy=absin(ax+by)z_{xy} = -ab\sin(ax + by)
* zyx=absin(ax+by)z_{yx} = -ab\sin(ax + by)

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