関数 $f(x, y) = \sin\left(\frac{5x}{y}\right)$ の4つの2階偏導関数 $f_{xx}(x, y)$、$f_{xy}(x, y)$、$f_{yx}(x, y)$、$f_{yy}(x, y)$ を求める。

解析学偏微分偏導関数多変数関数微積分
2025/7/14

1. 問題の内容

関数 f(x,y)=sin(5xy)f(x, y) = \sin\left(\frac{5x}{y}\right) の4つの2階偏導関数 fxx(x,y)f_{xx}(x, y)fxy(x,y)f_{xy}(x, y)fyx(x,y)f_{yx}(x, y)fyy(x,y)f_{yy}(x, y) を求める。

2. 解き方の手順

まず、1階偏導関数を求める。
fx(x,y)=xsin(5xy)=cos(5xy)5y=5ycos(5xy)f_x(x, y) = \frac{\partial}{\partial x} \sin\left(\frac{5x}{y}\right) = \cos\left(\frac{5x}{y}\right) \cdot \frac{5}{y} = \frac{5}{y} \cos\left(\frac{5x}{y}\right)
fy(x,y)=ysin(5xy)=cos(5xy)(5xy2)=5xy2cos(5xy)f_y(x, y) = \frac{\partial}{\partial y} \sin\left(\frac{5x}{y}\right) = \cos\left(\frac{5x}{y}\right) \cdot \left(-\frac{5x}{y^2}\right) = -\frac{5x}{y^2} \cos\left(\frac{5x}{y}\right)
次に、2階偏導関数を求める。
fxx(x,y)=xfx(x,y)=x(5ycos(5xy))=5y(sin(5xy))5y=25y2sin(5xy)f_{xx}(x, y) = \frac{\partial}{\partial x} f_x(x, y) = \frac{\partial}{\partial x} \left(\frac{5}{y} \cos\left(\frac{5x}{y}\right)\right) = \frac{5}{y} \cdot \left(-\sin\left(\frac{5x}{y}\right)\right) \cdot \frac{5}{y} = -\frac{25}{y^2} \sin\left(\frac{5x}{y}\right)
fxy(x,y)=yfx(x,y)=y(5ycos(5xy))=5(1y2cos(5xy)+1ysin(5xy)5xy2)=5y2cos(5xy)+25xy3sin(5xy)f_{xy}(x, y) = \frac{\partial}{\partial y} f_x(x, y) = \frac{\partial}{\partial y} \left(\frac{5}{y} \cos\left(\frac{5x}{y}\right)\right) = 5 \left(-\frac{1}{y^2}\cos\left(\frac{5x}{y}\right) + \frac{1}{y} \sin\left(\frac{5x}{y}\right) \cdot \frac{5x}{y^2} \right) = -\frac{5}{y^2}\cos\left(\frac{5x}{y}\right) + \frac{25x}{y^3}\sin\left(\frac{5x}{y}\right)
fyx(x,y)=xfy(x,y)=x(5xy2cos(5xy))=5y2cos(5xy)5xy2(sin(5xy)5y)=5y2cos(5xy)+25xy3sin(5xy)f_{yx}(x, y) = \frac{\partial}{\partial x} f_y(x, y) = \frac{\partial}{\partial x} \left(-\frac{5x}{y^2} \cos\left(\frac{5x}{y}\right)\right) = -\frac{5}{y^2} \cos\left(\frac{5x}{y}\right) - \frac{5x}{y^2} \left(-\sin\left(\frac{5x}{y}\right) \cdot \frac{5}{y}\right) = -\frac{5}{y^2}\cos\left(\frac{5x}{y}\right) + \frac{25x}{y^3}\sin\left(\frac{5x}{y}\right)
fyy(x,y)=yfy(x,y)=y(5xy2cos(5xy))=5x(2y3cos(5xy)+1y2sin(5xy)5xy2)=10xy3cos(5xy)25x2y4sin(5xy)f_{yy}(x, y) = \frac{\partial}{\partial y} f_y(x, y) = \frac{\partial}{\partial y} \left(-\frac{5x}{y^2} \cos\left(\frac{5x}{y}\right)\right) = -5x \left( \frac{2}{y^3}\cos\left(\frac{5x}{y}\right) + \frac{1}{y^2} \sin\left(\frac{5x}{y}\right) \cdot \frac{5x}{y^2} \right) = -\frac{10x}{y^3}\cos\left(\frac{5x}{y}\right) - \frac{25x^2}{y^4}\sin\left(\frac{5x}{y}\right)

3. 最終的な答え

fxx(x,y)=25y2sin(5xy)f_{xx}(x, y) = -\frac{25}{y^2} \sin\left(\frac{5x}{y}\right)
fxy(x,y)=5y2cos(5xy)+25xy3sin(5xy)f_{xy}(x, y) = -\frac{5}{y^2}\cos\left(\frac{5x}{y}\right) + \frac{25x}{y^3}\sin\left(\frac{5x}{y}\right)
fyx(x,y)=5y2cos(5xy)+25xy3sin(5xy)f_{yx}(x, y) = -\frac{5}{y^2}\cos\left(\frac{5x}{y}\right) + \frac{25x}{y^3}\sin\left(\frac{5x}{y}\right)
fyy(x,y)=10xy3cos(5xy)25x2y4sin(5xy)f_{yy}(x, y) = -\frac{10x}{y^3}\cos\left(\frac{5x}{y}\right) - \frac{25x^2}{y^4}\sin\left(\frac{5x}{y}\right)

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